Olyan rakétamotort keresett, amely képes felülmúlni az orosz „Stradivarius” -t

Évek óta az űrrakéta-ipar stagnál, és az 1990-es években létrehozott orosz RD-180 uralja ezt, de ez hamarosan megváltozhat. A modern módszertannak köszönhetően négy amerikai vállalat versenyez egy jobb létrehozásáért

  • írta Matthew Bodner | fordította Ana Milutinovic
  • 2019. július 29

2000. május 24-én, egy napnyugta előtt egy órával egy szokatlan rakéta szállt fel a Launch Complex 36-ról a Cape Canaveral légierő állomásán (USA). A legtöbb rakétához hasonlóan az Atlas 3 is egy ICBM-től örökölte a tervét, jelen esetben az első ilyen típusú amerikai rakétától, amelynek célja a Szovjetunió nukleáris megsemmisítéssel való fenyegetése volt. Ez nem volt szokatlan. De a rakétának sokkal erősebb volt az első szakasza, mint az előzőeknek. Az RD-180-at, annak motorját az NPO Energomash építette Moszkva (Oroszország) külvárosában lévő gyárban. Orosz motor hajtott egy amerikai rakétát, olyan szakszervezet, amely elképzelhetetlen lett volna az űrverseny magaslatán.

A következő két évtizedben további 83 ilyen típusú rakéta szállt fel Floridából (USA). Atlas 3 és utódja, Atlas 5, RD-180 motorokkal felszerelve legalább 16 amerikai kémszatellit küldött pályára, 13 katonai kommunikációs műhold, fél tucat GPS-műhold, két katonai időjárási műhold és három rakéta-riasztó műhold, amelyek az RD-180 hajtómű építésének helyéről indított rakéták kilövésére szolgálnak. Négy amerikai missziót indított a Marson, a NASA 2006-ban elindította a New Horizons missziót a Plútóhoz, a Juno pedig a Jupiterhez.

Az RD-180 nemcsak a geopolitikai furcsaságok miatt figyelemre méltó, hanem az is, hogy sok szempontból egyszerűen jobb volt, mint annak idején más rakétamotor. Amikor Elon Musk 2019 februárjában bejelentette a SpaceX Raptor motorjával végzett tesztjének sikerét, a Raptor tolókamrájában elért magas nyomással büszkélkedhet: a tengerszint felett a légköri nyomás több mint 265-szerese. Raptor megdöntötte a "lenyűgöző orosz RD-180" évtizedek óta tartó rekordját, Musk közzétette a Twitteren.

Miután a Krím 2014-ben bekebelezte Oroszországot, az RD-180 napjait, mint az amerikai rakétagyűjteményt kezdték számolni. Az amerikai védelmi sólymok már régóta kényelmetlenül érezték magukat az unióban, de a motor nagyon jó volt, és képességeit figyelembe véve olcsó is volt, ezért beragadt. De amikor az Oroszországgal fennálló kapcsolatok megszakadtak, a motor ellenfelei az amerikai kongresszusban, John McCain szenátor vezetésével, 2023-tól betiltotta az orosz motor használatát az amerikai rakétákban. Ez arra kényszerítette az amerikai légierőt, hogy új rakétát keressen.

Mindez felvet egy kérdést: Hogyan lett egy évtizedekkel ezelőtt tervezett orosz motor az a standard mérőszám, amellyel összehasonlították Amerika legjobb rakétatudósait? Ahhoz, hogy megértse, miért olyan jó motor az RD-180, tudnia kell, hogy a kulcs ügyesség kérdése volt. Bár több száz ember vesz részt a rakétamotorok fejlesztésében, aki jó tervezési ösztönnel bír, létfontosságú- Az egyensúlyok túl összetettek ahhoz, hogy durva erővel megoldják őket. Az RD-180 esetében a felelős személyt Valentin Glushko-nak hívták.

Miután a Szovjetunió elvesztette az űrversenyt a Hold ellen az Egyesült Államok ellen, a legjobb rakétamotor megtervezése "nemzeti prioritássá" vált, idézi fel Vadim Lukashevich orosz repülőgépmérnököt és űrtörténészt. A szovjet vezetők a világ legerősebb rakétáját akarták megépíteni, hogy űrállomásukat pályájukon tartsák, és elindítsák a Buránt, amelynek az orosz űrsiklónak kellett lennie. Glushko erőforrásokat kapott a lehető legjobb motor megépítésére, amiben nagyon jó volt. Az eredmény az RD-170, az RD-180 idősebb testvére lett.

olyan

FényképAz orosz RD-180 hajtómű tucatnyi Atlas V indítómotort hajtott végre, egyeseknél pedig műholdakat szállítottak, amelyek többek között ugyanazon ország kémlelésére szolgálnak, ahol építették. Hitelek: Craig F. Walker

Az RD-170 volt az első rakétamotor, amely fokozatos vagy szakaszos égésnek nevezett technikát használta. A másik az amerikai űrsikló fő motorja volt, amelyet szintén az 1970-es években fejlesztettek ki. Ezzel szemben a Saturn V rakéták első fokozatának F-1 motorjai, amelyek az Apollo programot a Holdra hajtották, régebbi és egyszerűbb kialakítás gázgenerátor-ciklusú motorral. A legfontosabb különbség: fokozatos égésű motorok általában hatékonyabbak, de nagyobb a robbanásveszély. William Anderson, a Purdue Egyetem folyékony rakétamotor-specialistája elmagyarázza: "Az energia kibocsátási szint rendkívüli." Anderson szerint csak igazán ravasz fantáziájú ember képes megérteni mindent, ami a rakétamotorok égésterében zajlik. Oroszországban ez a személy Glushko volt.

"Annyit fektettek a transzferbe, hogy a NASA-nál senki sem akart oxigénben gazdag, fokozatos égésű motor fejlesztéséről beszélni. Az oxigén szinte mindent megéget, ha szikra jelenik meg.".

Ahhoz, hogy megértsük, miért voltak Glushko motorjai mérnöki sikerek, egy kicsit technikussá kell válnunk.

A rakéta teljesítményének mérésére két kulcsfontosságú módszer létezik: a tolóerő (vagy a rakéta által kifejtett erő mennyisége) vagy a specifikus impulzus (a tüzelőanyag-felhasználás hatékonyságának mértéke) alapján. A nagy nyomású, de alacsony fajlagos tolóerővel rendelkező rakéta nem éri el a pályát; annyi üzemanyagot kellene szállítania, hogy súlyához több üzemanyagra lenne szükség stb. Ezzel szemben egy nagy sajátos lendülettel rendelkező, de alacsony tolóerővel rendelkező rakéta soha nem emelne le a földről. (Azonban az ilyen típusú rakéták jól működnek az űrben, ahol állandó lökés elegendő).

Egy rakétamotor üzemanyagot éget el egy oxidálószerrel együtt, amely általában oxigén, forró gáz képződéséhez, amely lefelé és kifelé tágul a motor fúvókáján keresztül, felgyorsítva a motort a másik irányba. Ellentétben a sugárhajtóművekkel, amelyek oxigént kapnak a körülöttük lévő levegőből, a rakétáknak saját oxigént kell szállítaniuk (vagy más oxidálószer), mivel az űrben természetesen nincs. A reaktorokhoz hasonlóan a rakétáknak is szükségük van arra, hogy az üzemanyagot és az oxigént nagy nyomással juttassák az égéstérbe; minden más egyenlő, a nagyobb nyomás jobb teljesítményt jelent. Ehhez a rakéták turbopumpákat használnak, másodpercenként több száz fordulattal. A turbószivattyúkat turbinák hajtják, amelyeket viszont előégők működtetnek, amelyek egy részét üzemanyagot és oxigént is elégetnek.

A döntő különbség az olyan szakaszos égésű motorok, mint az RD-180, és a gázüzemű motorok, mint a Saturn F-1 között abban rejlik, hogy mi történik az előégőkből származó gázokkal. Míg a gázgenerátoros motorok a hajóra dobják, szakaszos égésű motorok visszavezetik a fő égéstérbe. Ennek egyik oka az, hogy ezek a gázok fel nem használt üzemanyagot és oxigént tartalmaznak - az előégetők nem tudnak mindent elégetni. Ezeknek a megsemmisítése pazarlás, ami döntő jelentőségű egy rakétában, amelynek tartalmaznia kell az elfogyasztandó üzemanyagot és oxigént. De ezek visszahelyezéséhez finom egyensúlyra van szükség a nyomások és az áramlási szintek között, hogy a motorok ne robbanjanak fel. Szüksége van egy turbószivattyúk egész sorozatára is. A szakértőknek általában egy évtizedes szimulációra és tesztelésre van szükségük, vagy még annál is többre, hogy kitalálják, hogyan lehet jól működni.

Az RD-170-nek és az RD-180-nak van még egy előnye. Gazdag oxigénben vannak, ami pontosan azt jelenti, aminek hangzik: extra oxigént injektálnak a rendszerbe. (Ezzel szemben az űrsikló fő motorja üzemanyagban gazdag motor.) Az oxigénben gazdag motorok tisztábban égnek és könnyebben indulnak. Azt is lehetővé teszik, hogy az égéstérben nagyobb legyen a nyomás és ennélfogva nagyobb legyen a teljesítménye. De ez nagyobb valószínűséggel robbant fel, ezért az Egyesült Államok évtizedek óta nem indított nagyobb kezdeményezéseket a működésük érdekében.

Anderson emlékeztet: "Annyit fektettek a transzferbe, hogy a NASA-nál senki sem akart oxigénben gazdag, fokozatos égésű motor fejlesztéséről beszélni. Az oxigén nagy részét elégetné, ha szikra jelenik meg." Ez arra kényszerül, hogy nagyon vigyázzon a motor felépítéséhez használt anyagokra, és még inkább annak biztosítása, hogy ne legyenek olyan idegen anyagok, mint például a fémes törmelékfoltok, amelyek soha nem lehetnek ott. A történész hozzáteszi: "Minél többet tudunk meg arról, mi történik egy égéstérben, annál jobban rájövünk, mennyire instabil ez.".

Ha az RD-170 nemzedékének legjobb rakétamotorja lenne, akkor azt mondhatnánk, hogy az űrsikló fő motorja a második legjobb (és gyártása sokkal drágább). De egyik sem élt a lehetőségeivel. Az űrsikló motornak problémái voltak a járművek betöltésével, sokkal körülményesebbek, mint azt tervezői várták. A maga részéről az RD-170 csak kétszer repült: egyszer 1987-ben és 1988-ban. Bár fejlesztése nemzeti prioritás volt, a Szovjetunió a szétesés szélén állt, amikor Glushko bebizonyította, hogy működik.

Aztán jöttek az 1990-es évek, amelyek Oroszországban nagyon viharosak voltak, főleg az űrprogram esetében. Mert állami finanszírozás nélkül túlélni, a közelmúltban privatizált repülőgépipari vállalatok a kereskedelmi piac felé fordultak.

Ekkor mérnök, aki a Lockheednél dolgozott a NASA Johnson Űrközpontjában Houstonban (USA) Jim Sackett Moszkvába költözött (Oroszország). A Lockheed érdeklődést mutatott az oxigénben gazdag, fokozatos égés iránt, hogy meghosszabbítsa az Atlas új rakétáinak új generációját, amellyel az amerikai légierő és a NASA szerződéseiért kíván versenyezni.

A Lockheed moszkvai irodájának vezetőjeként Sackettet választották az Energomashhoz, egy posztszovjet űripari céghez, amely az RD-170 és más motortechnológiák tulajdonába került. Az Energomash lelkesen fogadta a Lockheed érdeklődését. De az RD-170 túl erős volt: a Lockheed által az űrbe küldeni kívánt Atlas rakéták jóval kisebbek voltak, mint amelyekre az RD-170-et tervezték. Tehát az Energomash körülbelül felére csökkentette a motort: ​​a vállalat javaslatot tett az RD-170 kétkamrás változatára (amely négy volt), amely az Atlas-ban használható. Így született meg az RD-180.

Ehhez az együttműködéshez rendkívüli integrációra volt szükség az amerikai és orosz katonai és ipari vállalkozók között. A Lockheed irodát alapított az Energomashban, egy moszkvai külvárosban. Sackett emlékeztet arra, hogy ez egy nagy művelet volt: "Volt ott kohászati ​​gyáruk, ezért kovácsolták meg saját fémjeiket. Saját gépüzleteik, saját tesztelő létesítményeik is voltak. Sok minden, egy fedél alatt. És, végül minden rakétamotorrá változott".

Körülbelül egy évig tartott napi műszaki találkozók a Sackett csapata, valamint az Energomash vezetői és mérnökei között, hogy lássák, működnek-e a javasolt RD-180 motorvásárlások. Lockheed egy kis, kötelezettség nélküli megállapodást akart. Az Energomash ragaszkodott egy hosszú távú megállapodáshoz. A szerződést 1996-ban írták alá hosszas hat órás találkozó után - emlékeztet Sackett. Az eredmény: közel egymilliárd eurós üzlet 101 RD-180 motorra.

Az amerikai légierő, a Lockheed legnagyobb ügyfele, követelte az RD-180 előállításához szükséges 10 kulcsfontosságú technológia hozzáférését, abban az esetben, ha az Oroszországgal fennálló kapcsolatok meghiúsulnak, és az Egyesült Államoknak magának kell gyártania azokat. Nagy kérés volt. Az Egyesült Államok a szovjet űrtechnika koronájában kereste az ékszert, ami az orosz kormánynak egyáltalán nem tetszett. "De nem volt más alternatívájuk, mert az ország nemcsak megváltozott, hanem csődbe is ment. Csődbe ment. Így mentették meg a céget" - mondja Sackett.

Bár a Nemzetközi Űrállomáson több szempontból nagyobb figyelmet fordítottak az orosz-amerikai együttműködésre, sok szempontból, az RD-180-on való együttműködés mélyebbre sikeredett. Hiszen az űrállomás egyik ország nemzetbiztonsága szempontjából sem döntő fontosságú, míg a felderítő és kommunikációs műholdak igen.

Most, hogy a két ország kapcsolata ismét megváltozott, Az Egyesült Államok belföldön előállíthatja az RD-180-at, Sackett azzal érvel. A kritikusok rámutatnak, hogy túl drága lenne. De Sackett nem gondolja, hogy a költségek "csillagászati" legyenek. A történész részletezi: "Itt vannak okos embereink és a receptjük is! Pontosan ezért azonosítottuk és megtárgyaltuk azt a 10 legfontosabb gyártási technológiát, hogy a terveket és utasításokat megtehessük, majd elkészíthessük".

De valószínűtlen, hogy ez megtörténjen, részben azért, mert az évtizedes stagnálás után az amerikai vállalatok végre dolgoznak ezen olyan motorok, amelyek felülmúlhatják az RD-180-at.

A motor teljesítménye nagyban befolyásolja az általa nyomott rakéta kialakítását, ezért amikor az amerikai kongresszus elrendelte az RD-180 megszüntetését, versenyt indítottak nemcsak új motor, hanem új rakéta gyártására is. Ez elkerülhetetlen volt, mivel végül is a modellek nem tartanak örökké. De mivel az új motorok és rakéták megtervezése költséges és időbeli szempontból drága, a változtatás ideje politikai szinten mindig ellentmondásos. Az RD-180 használatának a kongresszus által elrendelt tilalma kényszerítette a helyzetet.

Vannak négy komoly jelölt az új rakéta megépítésére: A SpaceX, a Blue Origin, a United Launch Alliance (a kezdőbetűivel ismert Boeing-Lockheed Martin közös vállalkozás, ULA) és a Northrop Grumman. Ezek közül kettőt választanak, azzal az elmélettel, hogy két győztes folyamatos versenyt eredményez, míg az egyik megnevezése olyan monopóliumot hozna létre, amely rosszul járhat és károsíthatja a légierőt. Munkahelyek ezrei forognak kockán: ha az ULA elveszíti, bezárhatja üzletét.

Fénykép: A Blue Origin BE-4 motor első tesztje, 2017 októberében. 2019 elején a Blue Origin megkezdte az építést egy alabamai (USA) gyárban, ahol több száz motor gyártását tervezi.

A New Glenn rakéta, a Blue Origin jelöltje a vállalat legújabb és legerősebb BE-4 motorját használja. (Az ULA rakétához hasonlóan a két vállalat egyszerre vetélytárs és partner). A BE-4 és a SpaceX Raptor kialakításai az RD-180-on alapulnak. A BE-4 oxigénben gazdag szakaszos égésű motor, mint az RD-170 és az RD-180. A Raptor a maga részéről annyiban hasonlít az RD-180-ra, hogy az előgyújtók kipufogógázait visszavezeti az égéstérbe, biztosítva, hogy a rakéta tartályaiban tárolt üzemanyagok és oxidálószerek szinte teljes egészét felhasználják a tolóerő előállításához. A Raptor azonban Glushko szemléletének megváltoztatására támaszkodik: mind az üzemanyagban gazdag, mind az oxidánsokban gazdag áramok hajtják turbószivattyúit, elméletileg maximalizálva a hatékonyságot.

Fénykép: A SpaceX Raptor motorjának első gyújtási tesztje 2016-ban. Ez év elején Elon Musk dicsekedett a Twitteren, amikor a Raptor először túllépte az RD-180 kamranyomását.

Bizonyos értelemben a BE-4 és a Raptor az egyfajta kísérlet egy jobb hegedű megépítésére, mint a Stradivarius a modern módszereknek köszönhetően. A Blue Origin és a SpaceX jobb diagnosztikához és kifinomultabb szimulációs technikákhoz férhet hozzá, mint Glushko. Van egy másik fontos tervezési jellemzőjük az amerikai légierő számára is: az Egyesült Államokban készülnek.

Ezeknek az új motoroknak az RD-180-zal szemben valószínűleg a legnagyobb technikai előnye petróleum helyett metánt használnak. A petróleum ismételt ismétlés után befolyásolhatja a motor teljesítményét. A metán a legnagyobb fajlagos impulzussal rendelkezik, és a legtisztábban ég. Sokkal könnyebb lenne szintetizálni a Marson (elvileg), ezt szándékozik megtenni Musk.

Ezen új motorok egyike sem jutott el a pályára. A SpaceX ezen a nyáron tervezi megkezdeni a Starhopper rakéta (amelyet végül három Raptor hajt majd majd) tesztlépéseivel. Ezek a járatok rövidek lesznek, és néhány ezer kilométeres távolságra lesznek korlátozva a SpaceX Texasban (USA) található teszthelye felett. A Blue Origin szintén Texasban teszteli a BE-4-et, és gyárat kezdett építeni az országban ezen motorok gyártására. A Launch Complex 36-ot bérbe adta a légierőnek is, ahonnan az RD-180 először szállt fel, és azt tervezi, hogy 2021-ben elindítja onnan a New Glenn-t.

Eközben, Az Energomash kétségbeesetten reméli, hogy az orosz űrprogram újra használni fogja motorjait. Pavel Luzin orosz űrkutató elemző szerint az elmúlt években termelésének mintegy 90% -a az Egyesült Államokba került. Amerikai vetélytársaikhoz hasonlóan az Energomash is elavulttá válik, mivel Musk és Bezos, az örökölt tervezés korlátozásai, a pénzköltés és a kockázatvállalás nehézségei nélkül, végül a rakétahajtómű kialakítását húzták ki a pangás évtizedeiből.