Новітній ракетний двигун РД-171МВ, який дасть старт російської надважкої ракети, відкриває нашій космонавтиці майбутнє, але має вже досить довгу біографію. Як з’ясовується, багато технології, створені в епоху холодної війни, випередили свій час і виявилися цілком актуальними для сьогодення чи навіть завтрашнього.
Олег Макаров
12 квітня 1981 року — у зовсім не випадково вибрану дату — в небо піднявся STS-1 Columbia — перший з американських шатлів. Це була нова демонстрація переваги американських технологій у космічному змаганні двох систем. Космонавти СРСР так і не дісталися до Місяця, і, хоч країна активно попрацювала у сфері запуску та експлуатації орбітальних станцій, вона все ще не мала аналога «шаттла» системи, здатної не тільки доставити багатотонний вантаж на орбіту, але і повернути його на Землю.
Не по п’ятах…
У нашої країни був свій шлях створення важких космічних систем, і він був, як відомо, нелегкий. Щоб перемогти у місячній гонці або хоча б повторити успіх американських астронавтів, С. П. Корольов і його ОКБ-1 розробляли важку ракету Н-1. Програму закрили вже в 1970-е, через кілька років після смерті знаменитого конструктора. Чотири запуску величезною ракети — чотири невдачі. В умовах дефіциту часу та відсутності стендових випробувань всієї збірки радянським інженерам так і не вдалося скоординувати роботу 30 двигунів першого ступеня. У 1974 році королівське КБ, назване тоді НВО «Енергія», очолив В. П. Глушко. Кермо правління в ракетобудівної «фірмі» взяв у свої руки корифей радянського ракетного двигунобудування. Приблизно в цей же час керівництвом країни було поставлено завдання створити аналог розробляється в США корабля-човника і запуску системи до нього. Затверджені американцями рішення вже були відомі, але радянські конструктори вирішили не йти по п’ятах, а створити свій варіант «човникової системи».
Як відомо, американський корабель «сидів» на величезному баку, заправленому воднем в якості пального і киснем в якості окислювача. У стартовому положенні з боків розташовувалися два твердопаливних прискорювача з тягою 1000 т кожен, відігравали роль першого ступеня. Після відстрілу прискорювачів «шаттл» включав власні двигуни і, спалюючи вміст зовнішнього бака, досягав орбіти. «Валентин Петрович Глушко не любив водень, — розповідає головний конструктор інтегрованої структури ракетного двигунобудування АТ «НВО «Енергомаш їм. академіка В. П. Глушко» Петро Льовочкін. — Він всіляко противився використання його в ракетних двигунах. При низькій щільності навіть в зрідженому вигляді (при температурі -253 °С) водню потрібні величезні баки. Також потрібна потужна теплозахист. Тим не менш створити носій із заданими характеристиками без водню не вдалося. Крім того, в СРСР, враховуючи кліматичні умови, використання порохів було обмежено. У підсумку було вирішено, що роль першої сходинки в ракеті «Енергія» зіграла чотири бічних блоку з потужними четырехкамерными кисень-гасовими двигунами (блоки стали б аналогами американських твердопаливних прискорювачів). Для центральної ступені вибір був зроблений на користь чотирьох кисень-водневих двигунів РД-0120 (Воронезьке КБ хімічної автоматики). Свої власні движки корабель «Буран» використовував тільки для маневрування. Але головна ідея Глушко полягала в тому, щоб бічні блоки «Енергії» були уніфіковані з розроблюваної дніпропетровським КБ «Південне» ім. Янгеля ракетою «Зеніт» середньої вантажопідйомності. Так з’явився проект ракети «Зеніт-2», перший ступінь якої була б практично ідентична бічного блоку «Енергії». Відмінність полягала лише в тому, що на «Енергії» (двигун отримає назву РД-170) камери гойдалися в одній площині, а на «Зеніті» (РД-171) — у двох. Логіка уніфікації була зрозуміла: важка ракета буде літати рідко, ракети типу «Зеніту» — значно частіше. Якщо ж перші щаблі випускати відразу для двох ракет, це дозволить позбутися від недоліків штучного виробництва, знизити вартість та підвищити якість виробів».
Ракети-носії, у яких застосовуються або застосовуватимуться РД-170 та його похідні
Приборкати вогонь
Роботи над РД-170/171 розпочалися у 1976 році в підмосковних Хімках, де зараз розташоване головне підприємство НВО «Енергомаш». Мова йшла про створення найпотужнішого в світі рідинного ракетного двигуна з тягою 800 т (для порівняння: однокамерний двигун F-1 від ракети Saturn V мав тягу 680 т).
«Справа йшла непросто, — розповідає Петро Льовочкін. — У цього двигуна потужність турбіни, яка приводить в дію насоси, становить 246 тис. л. с. (що можна порівняти з потужністю п’яти атомних криголамів «Ленін» — по 44 тис. л. с.), а агрегат важить всього 300 кг І це при загальній масі двигуна 10 т. Завданням конструкторів було не дати вирватися гігантської потужності назовні, і завдання вирішувалася дуже важко. Основною проблемою стало забезпечення роботи турбонасосного агрегату (ТНА). В СРСР був накопичений великий досвід роботи з потужними двигунами, де в якості палива використовувався несиметричний диметилгідразин, а окислювачем виступав азотний тетраоксид. Але коли перейшли з висококиплячих компонентів на пару «кисень-гас», з’ясувалося, що в кисні горить буквально все. Знадобилася нова культура виробництва. Наприклад, не можна було допускати потрапляння жирових плям в кисневий тракт: наявність органіки призводило до миттєвого окислення, а далі — пожежа. У деяких конструкторів навіть з’явилася думка, що треба кинути безплідні спроби добудовувати постійно палаючий двигун (разом з яким горіли і терміни), і перейти до створення силової установки меншої потужності. Ця точка зору дійшла до колегії Міністерства загального машинобудування СРСР, де Валентин Глушко і міністр Сергій Афанасьєв поспілкувалися на високих тонах. У підсумку НВО «Енергомаш» отримало завдання на проектування силової установки половинної потужності — на 400 т тяги. На щастя, це не означало повного припинення робіт над великим двигуном — роботи по його доведенню були продовжені. І до того самого моменту, як 400-тонний РД-180 був втілений поки лише в ескізному проекті, РД-170 перестав горіти. Рішення було знайдено. Більш того, в процесі відпрацювання двигун був сертифікований на 10-кратне польотне використання».
Цікаве в мережі
«Зеніт», Atlas, «Ангара»
Серійний випуск двигунів РД-170/171 передбачалося організувати на базі омського ПО «Політ». Ракета «Енергія» злітала два рази. У «Зеніта» виявилася більш щаслива доля. Її запускали з Байконура, потім використовували у проекті «Морський старт». «У своєму класі «Зеніт» є однією з найкращих ракет у світі, — каже Петро Льовочкін. — «Зеніт» став квінтесенцією вміння та досвіду радянських двигателистов і управлінців. На «Морському старті» ракета демонструвала повністю автоматизований пуск: сама виїжджає, заправляється, прицілюється і відлітає».
В 1990-е, в складний для російської промисловості в період НВО «Енергомаш» довелося згадати про розробку, яку готували для заміни впертого РД-170. Про те самому 400-тонному двигуні. В ті часи уряд Росії дозволило НВО «Енергомаш» вийти на конкурс, який проводила компанія Lockheed Martin (США) з модернізації ракети-носія Atlas. Пропозиції російської компанії виявилися конкурентоспроможними і за ціною, і за якістю, і з тих пір — з 1996 року — почалася співпраця з американськими ракетниками. В цьому році ракета Atlas c РД-180 повинна вивести на орбіту перспективний пілотований корабель Boeing Starliner. Це буде тестовий політ, наступний планується з астронавтами на борту.
У 1997 році ГКНПЦ імені М. В. Хрунічева розпочав проект по створенню ракети-носія на заміну «Протону» — старої надійної ракеті, що працює на токсичних висококиплячих компонентах, а також цілої лінійки ракет меншої вантажопідйомності — мова йде про носії «Ангара». Відразу було запропоновано модульний принцип: кожна із ступенів ракети в залежності від вантажопідйомності збиралася з універсальних ракетних модулів (ВРМ). Для першої та другої щаблі повинні застосовуватися УРМ-1 на базі двигуна РД-191 (це вже чверть від РД-170 з тягою 200 т). У самому легкому варіанті використовується тільки один УРМ-1, у важкому носії A-5 — вже 5. Двигун розроблений і виробляється, залишилося тільки дочекатися, коли програма «Ангара» все-таки вийде на стабільний графік.
«Варто зазначити, що технології, закладені в РД-170, транслювалися і РД-180, і в РД-191, — пояснює Петро Льовочкін. — Але відбувалася і еволюція. У РД-180 простіше система управління, там використані цифрові приводи. На РД-191 вони теж є, при цьому вони менше і легше у два рази. Еволюціонувала також система захисту від загоряння».
Випробування доводочного двигуна РД-171МВ для нової ракети «Союз-5» заплановані на 2019 рік. Про це заявив 3 грудня 2018 року генеральний директор «Енергомаш» Ігор Арбузов в інтерв’ю газеті «Коммерсантъ».
Сходинки до Марсу
Один з найбільш перспективних проектів ракети середньої вантажопідйомності (близько 17 т корисного вантажу на навколоземну орбіту) — це «Союз-5» (відомий також як «Іртиш»), створюваний РКК «Енергія». Саме для нього анонсована сама остання новинка НВО «Енергомаш» — двигун першої ступені РД-171МВ. Ракета вважається почасти більш сучасною і технологічною заміною «Зеніту», проте в перспективі може стати модулем першої ступені нової ракети надважкого класу (поки відомої як «Єнісей», або РН-СТК). «Єнісей», перші випробування якого почнуться на рубежі 2020-2030-х років, відкриє російської пілотованої космонавтики дорогу до Місяця, Марсу, дозволить відправляти в далекий космос важкі дослідні апарати.”В модернізовану версію, — каже Петро Льовочкін, — ми впровадили весь досвід, який отримали при створенні РД-180 і РД-191, а також просунулися далі. Це і підвищена захист від загоряння, нові фільтри, покриття, найсучасніші матеріали і технології їх обробки, нова система управління, більш швидкодіюча система аварійного захисту, яка бачить проблему на більш ранній стадії і миттєво відключає двигуни.
Цікаве в мережі
Є і ще одна важлива гідність нашого двигуна, яке обов’язково повинно бути використано в майбутньому. Справа в тому, що бічні блоки «Енергії» планувалися багаторазовими. Була створена технологія їх парашутування, передбачалося місце зберігання парашута. Після польоту або вогневих випробувань на стенді двигун не вимагає розбирання нами створена технологія термовакуумной очищення порожнин двигуна і кисневого тракту від залишків компонентів. Так що ми постійно пояснюємо ракетостроителям, що, якби в нас існувала працююча технологія повернення перших ступенів, їм не довелося б купувати у нас досить дорогий двигун всього на один політ.
Сьогодні такі технології почали розроблятися. І ракетниками, і нами. Перша ступінь відлітає на висоту приблизно 90 км і там розвиває швидкість 4 км/с. Для забезпечення оптимальних умов польоту щаблі в щільних шарах атмосфери при посадці потрібно включити двигун повторно — а це проблема. Адже треба зробити так, щоб паливо і окислювач знаходилися внизу, у забірних пристроїв, а не бовталися по бакам. Інакше забезпечити керований політ практично неможливо. Але ми працюємо над цим”.
Стаття «Спадкоємець «Енергії»» опублікована в журналі «Популярна механіка»
(№6, Червень 2019).
Thanks!
Our editors are notified.