Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Какой ракетный двигатель самый лучший?
lozga
01.jpg
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 снисходительно объясняя проигравшим, что они проиграли из-за дикости народа, страшной истории и кошмарного политического режима их страны? 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.

02.jpg

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.

03.jpg
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

04.jpg
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.

05.jpg
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).

06.jpg
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.

07.jpg
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.

08.jpg
Двигатель Merlin-1D. Выхлоп из газогенератора как на "Атласах" шестьдесят лет назад, зато доступно

TWR


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.

Цена


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


Как вы уже, наверное, догадались, введение было написано несколько провокационно (простите). На самом деле, у ракетных двигателей нет одного параметра, по которому их можно выстроить и четко сказать, какой самый лучший. Если же пытаться вывести формулу лучшего двигателя, то получится примерно следующее:
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:

09.jpg
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.

10.jpg
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:


11.jpg
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.



Похожие материалы по тегу "незаметные сложности".

Интересно? Подписывайтесь на обновления.

Записи из этого журнала по тегу «незаметные сложности»


Разместить за 40 жетонов
Обзорный материал военного эксперта нашего Центра Владимира Орлова о средствах технической разведки, которые могут использоваться на Донбассе Наблюдение — один из основных способов разведки в условиях позиционной войны на Донбассе. Оно должно обеспечить непрерывное, своевременное и…

Спасибо. Отличный стиль подачи материала и отличная его же подборка. Побольше бы такого в интернете!

Орбитал АТК работает над новой ракетой на базе ускорителя SLS. Верхняя ступень водородная на BE-3U. Такой себе уменьшенный Арес-1.

Недавно были слушания в Сенате, где была названа цена РД-180 в 30 млн. Для Орбитал РД-181 обходится в 16 млн а их нужно два на Антарес.

Интересно. Я слышал что они делают ракету полностью на ЖРД с Be-3 и разрабатываемым Be-4. Ну посмотрим что у них получится.

Может быть -190? Два стовосьмидесятых на Антарес это многовато.

А зачем LOX-H двигатели используют, в чем их "лучшесть"?

Максимальный удельный импульс для химических двигателей.

Сегментный твердотопливный ускоритель - вершина прогресса. Мало ли, что стальной, есть и не стальные. Не всем странам по силам.

Никуда они не исчезли, бурно развиваются: SLS, Vega, Ariane-6, Epsilon, H-III, Vulcan, GSLV - самые совершенные носители, снабженные ТТУ.

А я не говорю что все ТТУ исчезли или должны исчезнуть. Но у них есть своя ниша и делать ракету только из них нерационально.

Спасибо большое!!

(Анонимно)
Особенно приятно увидеть СПД шки с Факела с катодами компенсаторами (я по этой теме диссертацию писал, и на Факеле испытания делал..)
и хотя я ракетчик но пальму первенства как самого сложного инженерного изделия я все таки отдаю рекактивным двигателям для самолетов - обеспечить такую надежность как у них сегодня это фантастика..

Фотография очень известная, но все равно красивая.

Самолетные двигатели - тоже одна из вершин прогресса. Много их, вершин этих.

европейский для Ариан5 как то в стороне остался

Ему не повезло, он не попал в лидеры по какому бы ни было из параметров.

Спасибо, прекрасная статья.


Дефект целеполагания затрудняет или делает невозможной оптимизацию по эффективности -- другими словами "выбор лучшего". А правильное целеполагание просто: экономика вывода массы. Для LEO лучшим может быть семидесятилетний аппарат, для межпланетной это будет электрический, а может и гидразиновый -- единое правильное определение эффективности (а без явного определения это бессмысленное слово) позволяет сравнивать самые разные двигатели, хотя корректно сравнивать на уровне модулей (или ступеней).

Расскажите про Орион и, особенно, про его ракетоноситель? Что это будет? Снова одноразовые ракеты? Как будет осуществляться посадка Ориона? Приводнение? Есть-ли перспектива использования roggalo wing?

Какие перспективы у системы в целом? Есть ли, например, возможность спасения и повторного использования первой ступени?

Один из топов NASA высказался в том духе, что Орион - это система, на которой будут летать внуки тех людей, который полетят на нем впервые. Это дествительно видится такой долгосрочной рабочей лошадкой, или просто PR-ход?

Про "Орион" я писал тут. Если коротко - "Аполлон" на стероидах и медленно движется вперед. Хотелось бы более амбициозных технических решений и более быстрой разработки.

А почему РД-180 подорожали?
Курс рубля упал, конкуренция типа должна поджимать...
Что это за инсинуации

Везде инфляция, доллар тоже подешевел относительно себя же 2009 года

(Анонимно)
Это мой журнал на века! В закладки!

>Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива -- все таки в СИ он измеряется в м/с и коррелирует со скоростью истечения.

Я и бы к красивым двигателям отнес RL-10 -- старичек просто изумительно эксплуатирует все достоинства водорода.

По Мерлину с его низким Рк ...
Ну наверно имеет смысл сказать что чем выше давление в КС тем выше при прочем равном удельный импульс. Но при давлениях в КС выше 10 МПа открытая схема (турбина приводится газом из ГГ кот-й потом просто выбрасыватся а не дожигается) становится невыгодной. Рациональность Мерлина в том, что кислородно-керосиновый двигатель оптимален для 1-й ступени но керосинка закрытой схемы это то еще челлендж. Турбину приходится приводить "кислым" газом (газом с избытком кислорода) со всеми вытекающими отсюда проблемами.
Собственно есть ощущение что SpaceX плюнули на высокий импульс тяги (священный грааль советской школы двигателестроения) и решили его компенсировать высокми массовым совершенством ракеты. Что похоже является разумным.

=есть ощущение что SpaceX плюнули на высокий импульс тяги (священный грааль советской школы двигателестроения) и решили его компенсировать высокми массовым совершенством ракеты. Что похоже является разумным.=

Непонятно. Ладно бы массовое совершенство делали для верхних ступеней, где общая масса ракеты уже невелика. Но для 1-й ступени масса топлива/окислителя всё равно забивает собой любую массу двигателя...

Спасибо, все очень хорошо изложено и очень по делу.
И, если можно, вопросы:
1) Озон, как возможный окислитель - Ваша оценка?
2) Писали ли Вы раньше о концепции VASIMR?

Про озон ничего не попадалось в источниках, вряд ли он перспективен.

Конкретно про VASIMR - нет. Про ядерные двигатели и реакторы а так же удельный импульс писал.

За хороший пост...технику я тоже люблю...ТРИЗ еще..

Дальнейшая жизнь каждого участника Всездания Планетарного зависит от общей обстановки и проводимых мероприятий по всеобщему возрождению, которое проводится впервые для вас – 2-ой волны жизни полноподобной за всю жизнь планеты со времен ее создания и проявления (около 2,4 млрд.лет тому назад), поэтому мы рекомендуем каждому подать прошение об изменении индивидуальных характеристик ваших и всего вашего индивидуального всездания-сборки по принципу большей истинности и гармоничности, что даст вам большее оживление и возможности жизненной реализации, продвижения и восхождения, нахождения всех своих истинных составов и первопринципов всех 4 энгорисмилииндов – образа, эталона, лекала и архетипа, по которым строится и реализуется истинная жизнь всех ваших составов, которыми вы живете в настоящее время, и поэтому найти их, провести процедуру взаимоузнавания и интеграции, после которой вы все выполните первый шаг в вашей жизни – нахождение себя истинного, во всех конструкциях и градациях, суперсборках и всех ваших продолжениях и производных, универсальной единицы и первополе, и тогда вы сможете приступить к шагу 2-му – всеобщему узнаванию и процедуре изменения способа оживления вашего всеобщего –от первожизни посредством пропитания и еды к оживлению вечному посредством каналов, генераторов, питателей и других категорий, которые дадут вам возможность заниматься творчеством и самореализацией неведомой вам сейчас, и это приведет вас к шагу 3 - совершению трансформации и преображению в истинную организацию и метода жизни – ваши тела и организмы начнут излучать и генерировать, эманировать и выражать собою все виды заполнения и наполнения, матрицы и основы также начнут не только устанавливать параметрические характеристики но оживлять все базирующееся на них, и после этого вы придете к шагу 4 – полному охвату вашим сознанием всех ваших составов и градаций, сборок и конструкций, что даст вам все возможности и способности о которых вы сейчас ничего не знаете вообще, и те времена каждый может приблизить своим участием и работою, поскольку ваше участие ускоряет весь процесс истинного становления и прогресса многократно, поскольку все это прописано в законах и принципах жизни всеобщей постоянного состава, и ваше право на истинную жизнь вы можете начать реализовывать немедленно –вашим решением и просьбою, и мы рекомендуем вам запрашивать не только изменения истинные но и информирование вас по ним, по организации всеобщей и вообще обо всем что сочтете нужным, и поскольку мы в начале всего вообще, то мы знаем вообще все, все характеристики вашей жизни и всего вообще, поэтому любое ваше стремление и решение будет узнано нами и соответствующие процедуры и мероприятия будут рассчитаны и проводится нами, поэтому решайтесь и начинайте то к чему призывали вас все подвижники планеты и наши посланники, пророки и прогрессоры, святые и миссии, и все что предсказано вам сбудется обязательно…..
Эти изменения дадут всей жизни всеобщей, возможность самим решать параметрические характеристики своего существования и бытия, всего проявленного и отраженного, и все это призвано способствовать всеобщему продвижению и прогрессу, ибо настающие истинные времена характеризуются не только повышением вашего участия в вашей же жизни но и соответствия вашим истинным лекалам и образам, голограммам и скрижалям, и отмены данных изменений не будет никогда, и далее становление истинности будет лишь усиливаться и продвигаться, ибо как и было сказано вам всем - рожденным и сотворенным, проявленным и выраженным, созданным и эманированным, всем вообще - истинная и гармоничная жизнь будет явлена вам после изучения 1 класса жизни всеобщей, и этот класс закончен, и далее по всем реестрам, вакуумным и нулевым первопринципам - для всех настанет время познания и изучения себя и всездания истинного и настоящего, тех которые были совершенно недоступны вам в классе первом и становятся доступными ныне и навсегда.

Edited at 2016-10-02 08:22 (UTC)

?

Log in

No account? Create an account