Характеристики двигателей для ракет

Ракетный двигатель РД‐171МВ — мощь, побеждающая гравитацию

English

RD‐171MV rocket engine — power that conquers gravity

Самый мощный в мире двигатель – 246 тысяч лошадиных сил. Это в пять раз больше, чем мощность двигателей атомного ледокола. При массе в 10 тонн тяга двигателя превысит 800 тонн. Эта огромная мощь спрессована в одном ракетном двигателе – РД-171МВ. Именно он позволит вывести ракету «Союз-5» («Иртыш») с полезной нагрузкой к Луне и к Марсу. В НПО «Энергомаш» полным ходом идет разработка нового космического двигателя.

Масса: 10 300 кг.

Диаметр: 3565 мм.

Тепловая мощность, выделяемая камерой сгорания — 7 млн киловатт, что сравнимо с мощностью крупной гидроэлектростанции

Комментирует Игорь Арбузов, генеральный директор НПО «Энергомаш»:

— Сегодня основное внимание госкорпорации «Роскосмос» сконцентрировано на создании ракеты среднего класса «Союз-5» и разработке на ее основе ракеты-носителя сверхтяжелого класса. Руководством госкорпорации поставлена задача создания космического ракетного комплекса сверхтяжелого класса (КРК СТК) на базе тех конструкций, которые прошли летную практику и имеют высокий уровень статистики и надежности. Это вполне обоснованное и рациональное решение, которое позволит, во-первых, повысить надежность ракеты, во-вторых — создать эффективное средство выведения.

На первой ступени ракеты «Союз-5» будет установлен двигатель РД-171МВ. На второй — использоваться модернизированный РД-0124М разработки «Конструкторского бюро химавтоматики». В каждом из этих двигателей будет применен ряд технологических усовершенствований.

Длина с ГЧ: 61,8 м.

Стартовая масса: 530 т.

Двигатель 1-й ступени: РД-171МВ

Двигатель 2-й ступени: 2 РД-124МС

Масса выводимой полезной нагрузки:

Дмитрий Баранов, генеральный директор АО «РКЦ «Прогресс»»:

– В РКЦ «Прогресс» разрабатывается ракета-носитель среднего класса «Союз-5», на первой ступени которой установлен двигатель РД-171 – самый мощный из используемых сегодня в мире жидкостных ракетных двигателей. Ракетные блоки с РД-171 будут также входить в состав ракеты-носителя сверхтяжелого класса, разрабатываемой в соответствии с указом президента.

Петр Лёвочкин, главный конструктор НПО «Энергомаш»:

– Обеспечение надежной работы ракетного двигателя — задача колоссальной сложности, поэтому мы подошли к его проектированию и созданию модификации двигателя с таких позиций: мы знаем особенности его работы, владеем апробированными методиками и технологиями. После того как был создан двигатель РД-170, НПО «Энергомаш» на его основе разработало РД-180, РД-191 и другие модификации. Эти двигатели по схеме повторяли предыдущие, но в них применялись другие, более совершенные системы регулирования, новые способы защиты от возгорания, повышения устойчивости и так далее. И эти элементы хорошо себя зарекомендовали в двигателях последующих разработок НПО «Энергомаш».

РД-171МВ – модифицированная версия двигателя РД-171М по программе «Энергия» — «Буран», который успешно отработал при запусках ракеты-носителя «Зенит». И сейчас на основании проверенного, надежного двигателя с применением новейших технологий в НПО «Энергомаш» разрабатывают самый мощный российский двигатель.

Один экземпляр РД-171 был испытан без съема со стенда более 20 раз.

Двигатели РД-171 прошли 900 огневых испытаний общей наработкой более 100 000 секунд.

Игорь Арбузов:

— Двигатель РД-171МВ действительно будет самым мощным в мире, потому что уже базовая версия, которая создавалась нашими предшественниками — и РД-170, и РД-171М, — не имела аналогов в мире по своей тяге и всем остальным характеристикам. Кроме этого, благодаря тем возможностям, которыми сегодня обладает КБ, применение современных технологий позволяет создать еще более совершенную версию двигателя. И это будет, на наш взгляд, одно из лучших решений по двигателям такой тяги.

Рис. 4 и рис. 5. Двигатели в процессе сборки в НПО «Энергомаш»

Для реализации программы в НПО «Энергомаш» применяются самые современные технологии. На предприятии проводится глобальная реконструкция. Происходит масштабное техническое переоснащение предприятия и повышение квалификации рабочих – в НПО «Энергомаш» при создании нового двигателя идут к новым целям.

«Иртыш» будет выводить в космос как пилотируемые миссии, так и коммерческую полезную нагрузку с космодромов Байконур и Восточный.

Василий Чарыков, заместитель генерального директора, директор по производству НПО «Энергомаш»:

— Эффективно использовать ресурсы, производить агрегаты и детали с большей точностью, применять новейшие материалы, разрабатывать системы регулирования, усовершенствовать способы защиты от возгорания – вот к чему стремятся на всех этапах создания двигателя.

Петр Лёвочкин:

– Сегодня для ускорения новых разработок мы внедряем трехмерное моделирование, для снижения стоимости и повышения конкурентоспособности — самые современные технологии, композитные материалы, оборудование. Идет техническое перевоооружение предприятия с точки зрения станочного парка. Все это направлено на то, чтобы новый продукт был конкурентоспособен и востребован на рынке не только внутри страны, но и за рубежом.

Самый мощный в мире двигатель– 246 тысяч лошадиных сил.

При массе в 10 тонн тяга двигателя превысит 800 тонн.

Турбонаддувочный агрегат развивает мощность 180 тысяч киловатт, что соответствует мощности трех атомных силовых установок крупных ледоколов

Впервые этот двигатель создается полностью в цифровом формате: от конструкторской документации в 3D-моделировании до первых проработок испытаний. Применение цифровых технологий существенно снизит риски и временные затраты.

Игорь Арбузов:

— Все мы понимаем, что создание такого рода конструкции – это локомотив не только конструкторской мысли, но это еще и технологический локомотив, который стимулирует нас к созданию новых современных технологий. Технологий не только в изготовлении отдельных элементов конструкции, но и в проектировании, и в управлении, и в целом ряде других процессов, которые позволяют сохранять лидерство в космической отрасли.

Первый шаг к реализации программы сделан. Впереди — два года напряженной работы и постоянного контроля. Первый двигатель будет поставлен заказчику в 2021 году. А первый полет ракеты «Союз-5» запланирован на 2022 год.

Рис. 6. Ступень ракеты-носителя «Союз» с двигателями НПО «Энергомаш

Игорь Арбузов:

— Сегодня команда управления работает на выполнение единой цели и живет выполнением этой цели. Общая культура, понимание задач, отношение к делу — это залог успеха. Кроме того, высокие профессиональные навыки, компетентность, интеллектуальный потенциал предприятия являются дополнительными гарантиями того, что наш двигатель долгие годы будет оставаться лучшим среди тех, которые сегодня создаются в этом классе тяги.

Рис. 7. Испытательная база

Мир не стоит на месте, и наше лидерство — это не только почетное звание. Быть лидером в современном ракетостроении значит быть первым в области технических и конструкторских решений. Мы понимаем, что без этого останавливается развитие нашего персонала, развитие нашей отрасли, да и вообще технологический прогресс.

Петр Лёвочкин:

— Надо всегда лететь на Марс, а Луны достигнем – ведь она ближе. Строить далекие и амбициозные планы, смотреть за горизонт. Тогда люди будут экспериментировать, будут создавать новые конструкции. А что такое новые конструкции, новые разработки? Это сохранение не только нашей ракетно-космической отрасли, но и авторитета России как космической державы. А еще это работа для людей, счастье для их семей — начиная от высокого чувства гордости и заканчивая простыми житейскими радостями, которые способен дать космос человеку.

Развиваться необходимо еще и потому, что человечеству придется искать новое место обитания. Мы живем в лучах светила, которое понемногу гаснет. И нужно уже сейчас задумываться, где человечество обретет свой новый дом после того, как через пару миллиардов лет водород на Солнце закончится.

Техническое развитие предприятия сравнимо с профессиональным ростом спортсмена: чем больше он тренируется, тем лучше его результат. Чем больше предприятие проектирует, чем больше оно создает, тем лучше изделие, его потребительские качества.

Более того, существуют вопросы национальной безопасности, которые необходимо решать, обеспечивая пуски ракет-носителей с двигателями нужных характеристик. Новые разработки также привлекают молодежь, способную создать что-то новое и в перспективе обрести славу не только для себя и своего предприятия, но и для своей Родины.

© Бурцева Н.Л., 2019

История статьи:

Поступила в редакцию: 21.04.2019

Принята к публикации: 09.05.2019

Модератор: Гесс Л.А.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования:

Бурцева Н.Л. Ракетный двигатель РД-171МВ – мощь, побеждающая гравитацию // Воздушно-космическая сфера. 2019. №2. С. 20-25.

Ракетные двигатели

Что первое приходит на ум при словосочетании «ракетные двигатели»? Конечно же, загадочный космос, межпланетные полеты, открытие новых галактик и манящее сияние далеких звезд. Во все времена небо притягивало к себе человека, оставаясь при этом неразгаданной тайной, но создание первой космической ракеты и ее запуск открыли человечеству новые горизонты исследований.

Ракетные двигатели по своей сути – это обычные реактивные двигатели с одной немаловажной особенностью: для создания реактивной тяги в них не используется атмосферный кислород в качестве окислителя топлива. Все, что нужно для его работы, находится либо непосредственно в его корпусе, либо в системах подачи окислителя и топлива. Именно эта особенность и дает возможность использовать ракетные двигатели в открытом космосе.

Видов ракетных двигателей очень много и все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.

Среди основных рабочих характеристик ракетных двигателей особое внимание уделяется удельному импульсу – отношению величины реактивной тяги к массе расходуемого за единицу времени рабочего тела. Значение удельного импульса отображает эффективность и экономичность двигателя.

Читать еще:  Что происходит если завоздушилась система охлаждения двигателя

Химические ракетные двигатели (ХРД)

Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.

Виды химических двигателей

История создания

Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.

Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.

Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.

Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей

Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.

В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.

Плюсы и минусы химических РД, их сфера применения

Достоинствами твердотопливных РД являются:
  • простота конструкции;
  • сравнительная безопасность в плане экологии;
  • невысокая цена;
  • надежность.
Недостатки РДТТ:
  • ограничение по времени работы: топливо сгорает очень быстро;
  • невозможность перезапуска двигателя, его остановки и регулирования тяги;
  • небольшой удельный вес в пределах 2000-3000 м/с.

Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).

Достоинства жидкостных РД:
  • высокий показатель удельного импульса (порядка 4500 м/с и выше);
  • возможность регулирования тяги, остановки и перезапуска двигателя;
  • меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.
Недостатки ЖРД:
  • сложная конструкция и пуско-наладочные работы;
  • в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться. Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии.

Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.

Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.

История создания

Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.

Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.

Устройство и принцип действия

Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.

Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.

Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

Преимущества и недостатки ЯРД

Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД)

Еще один потенциальный конкурент химических РД – электрический РД, работающий за счет электрической энергии. ЭРД может быть электротермическим, электростатическим, электромагнитным или импульсным.

История создания

Первый ЭРД был сконструирован в 30-х годах советским конструктором В.П. Глушко, хотя идея создания такого двигателя появилась еще в начале ХХ века. В 60-х годах ученые СССР и США активно работали над созданием ЭРД, и уже в 70-х годах первые образцы начали использоваться в космических аппаратах в качестве двигателей управления.

Устройство и принцип работы

Электроракетная двигательная установка состоит из самого ЭРД, строение которого зависит от его типа, систем подачи рабочего тела, управления и электропитания. Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. В качестве рабочего тела используется гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже – водород.

Электростатические РД делятся на коллоидные, ионные и плазменные. В них заряженные частицы рабочего тела ускоряются за счет электрического поля. В коллоидных или ионных РД ионизация газа обеспечивается ионизатором, высокочастотным электрическим полем или газоразрядной камерой. В плазменных РД рабочее тело – инертный газ ксенон – проходит через кольцевой анод и попадает в газоразрядную камеру с катод-компенсатором. При высоком напряжении между анодом и катодом вспыхивает искра, ионизирующая газ, в результате чего получается плазма. Положительно заряженные ионы выходят через сопло с большой скоростью, приобретенной за счет разгона электрическим полем, а электроны выводятся наружу катодом-компенсатором.

Электромагнитные РД имеют свое магнитное поле – внешнее или внутреннее, которое ускоряет заряженные частицы рабочего тела.

Импульсные РД работают за счет испарения твердого топлива под действием электрических разрядов.

Преимущества и недостатки ЭРД, сфера использования

Среди преимуществ ЭРД:
  • высокий показатель удельного импульса, верхний предел которого практически не ограничен;
  • малый расход топлива (рабочего тела).
Читать еще:  Hubsan x4 не работает двигатель
Недостатки:
  • высокий уровень потребления электроэнергии;
  • сложность конструкции;
  • небольшая тяга.

На сегодняшний день использование ЭРД ограничено их установкой на космические спутники, а в качестве источников электроэнергии для них применяются солнечные батареи. Вместе с тем именно эти двигатели могут стать теми силовыми установками, которые дадут возможность исследовать космос, поэтому работы по созданию их новых моделей активно ведутся во многих странах. Именно эти силовые установки чаще всего упоминали фантасты в своих произведениях, посвященных покорению космоса, их же можно встретить и в научно-фантастических фильмах. Пока именно ЭРД является надеждой на то, что люди все же смогут путешествовать к звездам.

Какой ракетный двигатель самый лучший?


Ракетные двигатели — одна из вершин технического прогресса. Работающие на пределе материалы, сотни атмосфер, тысячи градусов и сотни тонн тяги — это не может не восхищать. Но разных двигателей много, какие же из них самые лучшие? Чьи инженеры поднимутся на пьедестал почета? Пришло, наконец, время со всей прямотой ответить на этот вопрос.

К сожалению, по внешнему виду двигателя нельзя сказать, насколько он замечательный. Приходится закапываться в скучные цифры характеристик каждого двигателя. Но их много, какую выбрать?

Мощнее

Ну, наверное, чем мощнее двигатель, тем он лучше? Больше ракета, больше грузоподъемность, быстрее начинает двигаться освоение космоса, разве не так? Но если мы посмотрим на лидера в этой области, нас ждет некоторое разочарование. Самая большая тяга из всех двигателей, 1400 тонн, у бокового ускорителя Спейс Шаттла.

Несмотря на всю мощь, твердотопливные ускорители сложно назвать символом технического прогресса, потому что конструктивно они являются всего лишь стальным (или композитным, но это неважно) цилиндром с топливом. Во-вторых, эти ускорители вымерли вместе с шаттлами в 2011 году, что подрывает впечатление их успешности. Да, те, кто следят за новостями о новой американской сверхтяжелой ракете SLS скажут мне, что для нее разрабатываются новые твердотопливные ускорители, тяга которых составит уже 1600 тонн, но, во-первых, полетит эта ракета еще не скоро, не раньше конца 2018 года. А во-вторых, концепция «возьмем больше сегментов с топливом, чтобы тяга была еще больше» является экстенсивным путем развития, при желании, можно поставить еще больше сегментов и получить еще большую тягу, предел тут пока не достигнут, и незаметно, чтобы этот путь вел к техническому совершенству.

Второе место по тяге держит отечественный жидкостной двигатель РД-171М — 793 тонны.


Четыре камеры сгорания — это один двигатель. И человек для масштаба

Казалось бы — вот он, наш герой. Но, если это лучший двигатель, где его успех? Ладно, ракета «Энергия» погибла под обломками развалившегося Советского Союза, а «Зенит» прикончила политика отношений России и Украины. Но почему США покупают у нас не этот замечательный двигатель, а вдвое меньший РД-180? Почему РД-180, начинавшийся как «половинка» РД-170, сейчас выдает больше, чем половину тяги РД-170 — целых 416 тонн? Странно. Непонятно.

Третье и четвертое места по тяге занимают двигатели с ракет, которые больше не летают. Твердотопливному UA1207 (714 тонн), стоявшему на Титане IV, и звезде лунной программы двигателю F-1 (679 тонн) почему-то не помогли дожить до сегодняшнего дня выдающиеся показатели по мощности. Может быть, какой-нибудь другой параметр важнее?

Эффективнее

Какой показатель определяет эффективность двигателя? Если ракетный двигатель сжигает топливо, чтобы разгонять ракету, то, чем эффективнее он это делает, тем меньше топлива нам нужно потратить для того, чтобы долететь до орбиты/Луны/Марса/Альфы Центавра. В баллистике для оценки такой эффективности есть специальный параметр — удельный импульс.

Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива

Рекордсмены по тяге оказываются, в лучшем случае, в середине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, а F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются глубоко в хвосте. Казалось бы, вот она, важнейшая характеристика. Но посмотрим на лидеров списка. С показателем 9620 секунд на первом месте располагается малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP


Это не пожар в микроволновке, а настоящий ракетный двигатель. Правда, микроволновка ему все-таки приходится очень отдаленным родственником.

Двигатель HiPEP разрабатывался для закрытого проекта зонда для исследования лун Юпитера, и работы по нему были остановлены в 2005 году. На испытаниях прототип двигателя, как говорит официальный отчет NASA, развил удельный импульс 9620 секунд, потребляя 40 кВт энергии.

Второе и третье места занимают еще не летавшие электрореактивные двигатели VASIMR (5000 секунд) и NEXT (4100 секунд), показавшие свои характеристики на испытательных стендах. А летавшие в космос двигатели (например, серия отечественных двигателей СПД от ОКБ «Факел») имеют показатели до 3000 секунд.


Двигатели серии СПД. Кто сказал «классные колонки с подсветкой»?

Почему же эти двигатели еще не вытеснили все остальные? Ответ прост, если мы посмотрим на другие их параметры. Тяга электрореактивных двигателей измеряется, увы, в граммах, а в атмосфере они вообще не могут работать. Поэтому собрать на таких двигателях сверхэффективную ракету-носитель не получится. А в космосе они требуют киловатты энергии, что не всякие спутники могут себе позволить. Поэтому электрореактивные двигатели используются, в основном, только на межпланетных станциях и геостационарных коммуникационных спутниках.

Ну, хорошо, скажет читатель, отбросим электрореактивные двигатели. Кто будет рекордсменом по удельному импульсу среди химических двигателей?

С показателем 462 секунды в лидерах среди химических двигателей окажутся отечественный КВД1 и американский RL-10. И если КВД1 летал всего шесть раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 — успешный и уважаемый двигатель для верхних ступеней и разгонных блоков, прекрасно работающий уже много лет. В теории, можно собрать ракету-носитель целиком из таких двигателей, но тяга одного двигателя в 11 тонн означает, что на первую и вторую ступень их придется ставить десятками, и желающих так делать нет.

Можно ли совместить большую тягу и высокий удельный импульс? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (ну не горит водород с кислородом с удельным импульсом больше

460, физика запрещает). Были проекты атомных двигателей (раз, два), но дальше проектов это пока не ушло. Но, в целом, если человечество сможет скрестить высокую тягу с высоким удельным импульсом, это сделает космос доступней. Есть ли еще показатели, по которым можно оценить двигатель?

Напряженней

Ракетный двигатель выбрасывает массу (продукты сгорания или рабочее тело), создавая тягу. Чем больше давление давление в камере сгорания, тем больше тяга и, главным образом в атмосфере, удельный импульс. Двигатель с более высоким давлением в камере сгорания будет эффективнее двигателя с низким давлением на том же топливе. И если мы отсортируем список двигателей по давлению в камере сгорания, то пьедестал будет оккупирован Россией/СССР — в нашей конструкторской школе всячески старались делать эффективные двигатели с высокими параметрами. Первые три места занимает семейство кислородно-керосиновых двигателей на базе РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).


Камера сгорания РД-180 в музее. Обратите внимание на количество шпилек, удерживающих крышку камеры сгорания, и расстояние между ними. Хорошо видно, как тяжело удержать стремящиеся сорвать крышку 258 атмосфер давления

Четвертое место у советского РД-0120 (216 атм), который держит первенство среди водородно-кислородных двигателей и летал два раза на РН «Энергия». Пятое место тоже у нашего двигателя — РД-264 на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на РН «Днепр» работает с давлением в 207 атм. И только на шестом месте будет американский двигатель Спейс Шаттла RS-25 с двумястами тремя атмосферами.

Надежней

Каким бы ни был многообещающим по характеристикам двигатель, если он взрывается через раз, пользы от него немного. Сравнительно недавно, например, компания Orbital была вынуждена отказаться от использования хранившихся десятилетиями двигателей НК-33 с очень высокими характеристиками, потому что авария на испытательном стенде и феерический по красоте ночной взрыв двигателя на РН Antares поставили под сомнение целесообразность использования этих двигателей дальше. Теперь Antares будут пересаживать на российский же РД-181.


Большая фотография по ссылке

Верно и обратное — двигатель, который не отличается выдающимися значениями тяги или удельного импульса, но надежен, будет популярен. Чем длиннее история использования двигателя, тем больше статистика, и тем больше багов в нем успели отловить на уже случившихся авариях. Двигатели РД-107/108, стоящие на «Союзе», ведут свою родословную от тех самых двигателей, которые запускали первый спутник и Гагарина, и, несмотря на модернизации, имеют достаточно невысокие на сегодняшний день параметры. Но высочайшая надежность во многом окупает это.

Доступней

Двигатель, который ты не можешь построить или купить, не имеет для тебя никакой ценности. Этот параметр не выразить в числах, но он не становится от этого менее важным. Частные компании часто не могут купить готовые двигатели задорого, и вынуждены делать свои, пусть и попроще. Несмотря на то, что те не блещут характеристиками, это лучшие двигатели для их разработчиков. Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin-1D компании SpaceX составляет всего 95 атмосфер, рубеж, который инженеры СССР перешли в 1960-х, а США — в 1980-х. Но Маск может делать эти двигатели на своих производственных мощностях и получать по себестоимости в нужных количествах, десятками в год, и это круто.

Читать еще:  Экстремальные температуры для двигателя


Двигатель Merlin-1D. Выхлоп из газогенератора как на «Атласах» шестьдесят лет назад, зато доступно

Раз уж зашла речь о спейсэксовских «Мерлинах», нельзя не упомянуть характеристику, которую всячески форсили пиарщики и фанаты SpaceX — тяговооруженность. Тяговооруженность (она же удельная тяга или TWR) — это отношение тяги двигателя к его весу. По этому параметру двигатели Merlin с большим отрывом впереди, у них он выше 150. На сайте SpaceX пишут, что это делает двигатель «самым эффективным из всех когда-либо построенных», и эта информация разносится пиарщиками и фанатами по другим ресурсам. В английской Википедии даже шла тихая война, когда этот параметр запихивался, куда только можно, что привело к тому, что в таблице сравнения двигателей этот столбец вообще убрали. Увы, в таком заявлении гораздо больше пиара, нежели правды. В чистом виде тяговооруженность двигателя можно получить только на стенде, а при старте настоящей ракеты двигатели будут составлять меньше процента от ее массы, и разница в массе двигателей ни на что не повлияет. Несмотря на то, что двигатель с высоким TWR будет более технологичным, чем с низким, это скорее мера технической простоты и ненапряженности двигателя. Например, по параметру тяговооруженности двигатель F-1 (94) превосходит РД-180 (78), но по удельному импульсу и давлению в камере сгорания F-1 будет заметно уступать. И возносить тяговооруженность на пьедестал как самую важную для ракетного двигателя характеристику, по меньшей мере наивно.

Этот параметр во многом связан с доступностью. Если вы делаете двигатель сами, то себестоимость вполне можно подсчитать. Если же покупаете, то этот параметр будет указан явно. К сожалению, по этому параметру не построить красивую таблицу, потому что себестоимость известна только производителям, а стоимость продажи двигателя тоже публикуется далеко не всегда. Также на цену влияет время, если в 2009 году РД-180 оценивался в $9 млн, то сейчас его оценивают в $11-15 млн.

Вывод

Самый лучший ракетный двигатель — это такой двигатель, который вы можете произвести/купить, при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько(удельный импульс, давление в камере сгорания), что его цена не станет неподъемной для вас.

Скучно? Зато ближе всего к истине.

И, в заключение, небольшой хит-парад двигателей, которые лично я считаю лучшими:


Семейство РД-170/180/190. Если вы из России или можете купить российские двигатели и вам нужны мощные двигатели на первую ступень, то отличным вариантом будет семейство РД-170/180/190. Эффективные, с высокими характеристиками и отличной статистикой надежности, эти двигатели находятся на острие технологического прогресса.


Be-3 и RocketMotorTwo. Двигатели частных компаний, занимающихся суборбитальным туризмом, будут в космосе всего несколько минут, но это не мешает восхищаться красотой использованных технических решений. Водородный двигатель BE-3, перезапускаемый и дросселируемый в широком диапазоне, с тягой до 50 тонн и оригинальной схемой с открытым фазовым переходом, разработанный сравнительно небольшой командой — это круто. Что же касается RocketMotorTwo, то при всем скептицизме по отношению к Брэнсону и SpaceShipTwo, я не могу не восхищаться красотой и простотой схемы гибридного двигателя с твердым топливом и газообразным окислителем.

F-1 и J-2 В 1960-х это были самые мощные двигатели в своих классах. Да и нельзя не любить двигатели, подарившие нам такую красоту:


РД-107/108. Парадоксально? Невысокие параметры? Всего 90 тонн тяги? 60 атмосфер в камере? Привод турбонасоса от перекиси водорода, что устарело лет на 70? Это все неважно, если двигатель имеет высочайшую надежность, а по стоимости приближается к «большому глупому носителю». Да, конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но эти двигатели будут жить еще лет десять минимум, и, похоже, поставят рекорд по долголетию. Не получится найти более успешный двигатель с более славной историей.

Использованные источники
  • Материал во многом базируется на вот этой сводной таблице из английской вики, там стараются на каждую цифру дать ссылку и держать материал актуальным.
  • Полная картинка КДПВ с копирайтами, которые пришлось отрезать при кадрировании — тут.

Ракеты для авиации. Почему нам мало одной РС-80 «Оскол»

Все ударные беспилотные машины отечественного производства вооружены поделками, местами даже из водопроводных труб

Наша военная промышленность развивается более-менее в рамках постсоветского наследия — в принципе, в том же направлении, что Китай и Россия, но ей катастрофически не хватает финансирования и государственного подхода (прежде всего в деле сохранения производственных мощностей). Рассмотрим это на примере развития у нас и в РФ линейки 80-мм неуправляемых авиационных ракет С-8.

Разработанная в конце 1960-х, эта ракета с твердотопливным двигателем выпускалась на заводе «Авиаагрегат» в Куйбышеве (ныне Самара) и к моменту развала Советского Союза была самым распространенным неуправляемым оружием боевых самолетов и вертолетов. Такие ракеты вполне успешно применялись с борта фронтовых бомбардировщиков Су-17 и Су-24, штурмовиков Су-25 и всей линейки боевых вертолетов — от Ми-8 до Ми-24.

В ходе войны на Донбассе именно ракеты С-8 стали основным вооружением украинской авиации, а сколько их было выстреляно, сложно сказать. Но в итоге, даже учитывая, что авиация применялась относительно недолго — с мая по август 2014 г., возникли большие проблемы с наличием ракет.

Мало того, после 2014 г. установки для запуска неуправляемых ракет С-8 стали использоваться на наземной базе — легкого артиллерийского тягача МТЛБ. Применяются неуправляемые ракеты и в составе вооружения перспективного наземного беспилотного БТР «Фантом-2». Нашлось им применение даже на море — две пусковые установки установлены на десантно-штурмовых катерах класса «Кентавр» (проект 58181).

Поэтому возникла необходимость запуска в серийное производство нашего аналога, что реализовало ГАХК «Артем». Новая ракета получила обозначение РС-80КО и собственное имя «Оскол». При массе кумулятивно-осколочной боевой части в 5 кг конструкторы обеспечили бронепробитие в 400 мм гомогенной брони на дальности пуска в 1300-4000 м. При том что на советских С-8 установлена боевая часть массой всего 3,6 кг.

Тогда же были разговоры и о создании новых боеголовок для ракеты. Прежде всего речь шла о боевой части с объемно детонирующей смесью, что в украинских реалиях вполне выполнимая задача. Ведь на вооружение уже приняты как ручные гранаты, так и гранаты для гранатометов.

Более того, еще до начала российской агрессии КБ «Луч» представило корректируемую авиационную ракету АР-8Л. Она есть в каталоге «Укроборонпрома», однако информации о государственных испытаниях, серийном производстве и тем более поступлении на вооружении армии этой ракеты нет.

Интересно, что в этом же направлении работают и российские оружейники — дважды подряд на Международном военно-техническом форуме «Армия» концерн «Калашников» презентует 80-мм корректируемую ракету С-8Л с лазерной головкой самонаведения. Она продвигается как вариант вооружения беспилотной авиации, в частности, на форуме «Армия-2021» ракета была продемонстрирована в варианте вооружения легкого беспилотного летательного аппарата вертолетного типа.

Так как украинская и российская ракеты имеют много общего, прежде всего принцип наведения (лазерным лучом с борта летательного аппарата или с земли), то имеет смысл сравнить их характеристики. Концерн «Калашников» дает минимум информации, опуская наиболее важные характеристики — массу боевой части и радиус поражающего действия. При этом указано, что ракета может применяться на дальности от 4 (с вертолета) до 6 км (с борта штурмовика или бомбардировщика).

В тоже время по ракете от «Луча» есть все характеристики. Дальность поражения целей более скромная — 1200-4000 м. Боевая часть ракеты массой 4,3 кг кумулятивно-осколочная, при этом она может пробивать гомогенную броню толщиной не менее 400 мм.

Есть ли заинтересованность отечественных вооруженных сил получить такие корректируемые ракеты, которые явно имеют большую эффективность, чем неуправляемый вариант, пока непонятно. Однако в числе образцов, которые прошли или планируются на государственные испытания, АР-8Л не фигурирует.

В то же время ниша для нее есть. Понятно, что это не массовый продукт, как РС-80 «Оскол», однако нашу беспилотную авиацию вооружать пока нечем. Все ударные машины отечественного производства вооружены поделками, местами даже из водопроводных труб, а для турецких «Байрактаров» покупаем импортные корректируемые ракеты и бомбы по рыночным ценам.

В тоже время в мире это восходящий тренд. Так, даже не очень продвинутая белорусская военная промышленность на недавней международной выставке в Минске MILEX-2021 представила боеприпасы для беспилотных летательных аппаратов, разработанные предприятием «Завод точной электромеханики», — малогабаритную управляемую планирующую авиационную бомбу УПАБ-08 и корректируемую авиационную бомбу КАБ-05. Оба образца предназначены для поражения живой силы, автомобильной, бронированной техники, пусковых установок ракет, элементов систем ПВО и пунктов управления, а также других элементов военной и промышленной инфраструктуры противника.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector