Орбита. Новости космонавтики

В последние годы, частная космическая компания Space X, возглавляемая Элоном Маском, не перестает удивлять весь мир своими фантастическими успехами. Основной изюминкой космических транспортных систем этой компании считаются РН серии Falcon, и в частности двигатели Merlin 1, уже прозванные «самыми эффективными в мире».

Создается ложное впечатление, будто Space X в относительно короткий срок смогла создать двигатель, затмивший разработки в этой области таких гигантов как «Энергомаш» и «Rocketdyne». Под катом мы в популярной форме ознакомится с современным миром ракетных двигателей и постараемся разобраться в такой не однозначной их характеристике как эффективность.


В 2012 году, компания Space X, проводила огневые испытания последней на данный момент модификации двигателя Merlin 1 – D. Во время этих тестов тяговооруженность двигателя была доведена до 150 единиц, позволившей Space X наречь его «самым эффективным в истории».

В области двигателестроения, тяговооруженностью называют соотношение тяги двигателя (в тс) к его сухой массе. В случае ракетных ЖРД обычно этим соотношением является тяга двигателей в вакууме (в тс) поделенная на его сухую массу (в тоннах).

Merlin 1D способен развивать тягу у земли в 67т и 82т в вакууме (Melin 1D Vacuum), при массе около 600кг. На РН Falcon 9 1.1 используются 9 таких двигателей общей тягой в 600тс. Двигатель не имеет собственной системы управления вектором тяги (УВТ), и управление ступенью ракеты осуществляется изменением тяги двигателей на противоположных осях, как и у РН Н 1 (дросселирование для снижения тяги и/или форсаж для увеличения тяги выше номинального).

Наиболее высокой тяговооруженностью отличаются ЖРД работающие на смеси гептила и тетраоксида диазота. Так двигатели РД 275М («Энергомаш») ракеты носителя Протон М обладают самой высокой в мире тяговооруженностью – более 170 (тяга в пустоте 187т, масса двигателя 1,1т). Их «старший» брат РД 270, разрабатывавшийся в свое время для не летавшей РН Ур 700, имел тяговооруженность в 200 единиц! Тем более удивительно что речь идет о двигателях закрытого цикла (см. ниже). Такие характеристики достигаются из за самовоспламеняющегося топлива, благодаря которому сильно упрощается конструкция (и вес) ракетных двигателей. В тоже время подобные двигатели обладают довольно высокими параметрами удельного импульса (285с для РД 275М).

Современные водородные двигатели являются самыми эффективными среди всех типов использующихся ЖРД. Наибольшим значением у.и. обладал советский РД 0120 (455с в вакууме и тягой в 200тс). Наиболее высоким значением у.и. на уровне моря обладает RS 68 (365с и тягой в 295тс) фирмы Rocketdyne, используемый на единственной в мире полностью водородной РН Дельта 4. Водородные ЖРД в тоже время обладают наименьшими значениями тяговооруженности (в пределах 50-75 единиц), которая игнорируется из за высоких энергетических возможностей данных ЖРД. Это позволяет с избытком компенсировать «лишние» несколько тонн двигателя, по сравнению с остальными ЖРД с высокой тяговооруженностью.
Впрочем, высокая цена водородных ЖРД (около 20млн$ для RS 68) до сих пор заставляет инженеров использовать на первых ступенях компромиссные варианты, чаще всего с керосиновыми ЖРД.