Шедевр реактивного искусства: смогут ли люди долететь до Марса с помощью двигателя Raptor 3

Благодаря инновационным многоразовым ракетам Falcon 9 она стала доминировать на рынке выведения грузов на орбиту и смогла развернуть собственную группировку спутниковой связи Starlink. Однако Маска не оставляла мысль о Марсе, и как только SpaceX стала уверенно подниматься на вершину, ее владелец представил свой главный проект.

Обещаниям Илона Маска верилось с трудом — особенно после того, как он озвучил совершенно наполеоновские планы: двигатель чрезвычайно сложной схемы, до сих пор толком не освоенной, должен быть создан и испытан буквально за несколько лет, а стоимость его производства составит пару сотен тысяч долларов, что на порядок меньше обычных цен. Но когда в 2016 году SpaceX успешно испытала уменьшенный прототип двигателя Raptor, смешки поутихли. Сложная схема работала, и работала на необычном, полузабытом топливе.

Во времена Вернера фон Брауна метан считался одним из перспективных видов жидкого топлива, однако вскоре его вытеснил керосин. «Космическое ракетостроение всегда находилось в тени военного, а военным проще пользоваться керосином, — объясняет разработчик космической техники Виктор Булыбенко. — Этот вид топлива крайне дешев, прост в обращении, не требует охлаждения и может храниться при комнатной температуре, так что заправленная ракета долго остается на дежурстве. Все признавали, что метан — вариант лучше, но технологий для работы с ним долгое время не было».

Керосина на мертвой планете не найти, а водород, который легко получить из местного льда, жидкость слишком капризная, текучая, требующая экстремально низких температур, — использовать его для больших ракет-носителей очень сложно. Идеальным вариантом стал метан: его тоже можно синтезировать на месте из марсианского льда и углекислого газа, к тому же это очень простая молекула, самый короткий углеводород, и он не оставляет после себя твердых продуктов горения, что крайне ценно для многоразового использования ракет и двигателей.

«У керосина с этим большие проблемы: при его сгорании зачастую образуется сажа, — говорит Виктор. — Под высоким давлением и температурой она коксуется, уплотняется и засоряет двигатель. Это видно по многоразовым ракетам SpaceX Falcon 9: часть сажи вырывается наружу и покрывает корпус — он темнеет после каждого полета».

Зато метан дает только легкие газы, водяной пар и углекислоту, так что выхлоп остается прозрачным, почти невидимым. После использования двигатель не требуется разбирать и чистить — достаточно заполнить бак свежим топливом, и можно отправляться в новый полет. А полностью реализовать эти преимущества позволяет еще одно полузабытое достижение прошлого.

Любой реактивный двигатель толкает носитель вперед, отбрасывая назад рабочее тело, — например, быстрый поток раскаленных газов, которые образуются в камере сгорания. Чем стремительнее они вылетают из сопла, тем больший толчок придают ракете.

Чтобы ускорить ее еще сильнее, требуется повысить давление и температуру горения. Значит, понадобится мощный насос, способный за секунду прокачивать сотни литров ледяной жидкости (само горючее и его окислитель) под давлением в сотни атмосфер. Чтобы запустить его, двигатели дополняют турбиной, которую вращает мощная струя газов, образующихся в отдельном узле — газогенераторе.

Такая схема с турбонасосным агрегатом появилась еще на ракетах «Фау-2», разработанных при участии того же Вернера фон Брауна. Однако по мере того как давление в двигателях росло, конструкторам пришлось устанавливать отдельные насосы для топлива и окислителя, каждый со своей камерой газогенератора. В один из них подается смесь с сильным избытком горючего, в другой — окислителя. В результате неполного сгорания из одного газогенератора в камеру сгорания поступает горячий газ с избытком горючего, а из второго – такой же газ, только с избытком окислителя. Здесь под экстремальным давлением они сгорают уже окончательно. Такая схема называется закрытым циклом с полнопоточным сгоранием (двигатель по схеме «газ – газ»).

Впервые она была реализована в гептиловом РД-270, который проектировался для одного из вариантов советской «лунной» ракеты, но развития не получил.

«Недоокисленные продукты керосина дают сажу, которая быстро засоряет двигатель. Поэтому полнопоточный закрытый цикл на этом топливе невозможен, — продолжает Виктор Булыбенко. — Зато на метане, который сгорает без образования твердых продуктов, такая схема — замкнутая, с полной газификацией обоих компонентов — вполне реализуема, и в Raptor она впервые была доведена до летных изделий. В итоге двигатель сразу показал отличные результаты, давление в камере сгорания серийных версий достигло весьма приличных 250 атмосфер. Все сразу задумались: "А что, теперь такое возможно?" — и бросились заново проводить научно-исследовательские работы. Оказалось, что да, возможно, и сейчас подобные проекты запустили многие компании и страны. Например, в России таким двигателем для новой ракеты "Амур-СПГ" занимается КБХА».

Уже в 2019 году на новеньком полигоне SpaceX в Бока-Чика (Техас) Raptor впервые поднял в воздух уменьшенную модель второй ступени будущей марсианской ракеты. Вскоре испытания стали проводиться в привычном для Маска стремительном темпе, а на заводе в Калифорнии наладили серийное производство и стали выпускать десятки двигателей в месяц. Несмотря на всеобщее восхищение, сам бизнесмен в 2021 году назвал двигатель «крайне сырым» и заявил, что в нем еще осталось множество систем, узлов, датчиков и трубок, от которых вполне можно избавиться. В 2022 году Илон представил второе поколение — заметно упрощенное, при этом с бóльшим давлением в камере сгорания и тягой. Однако в бочке меда появилась изрядная ложка дегтя.

«Представим: у нас есть топливные баки с жидким метаном и кислородом, — рассказывает Виктор. — Если их просто выкачивать, давление внутри будет падать, и вскоре мы не сможем вытянуть ни капли. Поэтому по мере отбора топлива пустую часть баков наполняют "газом наддува" — как правило, гелием или другим инертным. Он создает внутри давление в несколько атмосфер, вытесняя горючее и окислитель, чтобы те в нормальном темпе подавались в двигатель, и удерживает тонкие стенки баков от схлопывания».

Разработчики Raptor 2 и здесь пошли особым путем: для наддува бака окислителя они используют нагретую смесь прямо из окислительного газогенератора — с продуктами полного сгорания метана в кислороде. Казалось бы, идеально: конструкция двигателя стала проще, сажи нет, после завершения полета надо лишь стравить давление — и можно снова заполнять баки.

Проблема в том, что из газогенератора выходит не только горячий кислород, но и продукты полного сгорания метана — водяной пар и углекислый газ. Когда они впрыскиваются в пустое пространство бака окислителя, то резко расширяются и остывают, контактируя с крайне холодным жидким кислородом. Ледяные кристаллы воды и углекислоты оседают изморозью на стенках и дне, забивая трубы для забора жидкого топлива.

Питание двигателя прекращается — и следует взрыв. Именно так заканчивались испытания Starship с Raptor 2, пока конструкторы не установили в баки огромные фильтры для защиты от снега и сухого льда. Пока что эти 9-метровые сетки из нержавеющей стали «держат удар», однако принципиально проблема по-прежнему не решена. А ведь она ставит под вопрос саму концепцию быстрой многоразовости: теперь перед повторной заправкой баки приходится чистить, но как проделывать это быстро где-нибудь на Марсе, не знают даже в SpaceX.

По расчетам бизнесмена, стоимость одного двигателя не должна превышать 250 тысяч долларов. Чтобы добиться этого, Маск, во-первых, сразу запустил Raptor в серийное производство, а во-вторых, потребовал максимально упростить и облегчить конструкцию. В итоге в Raptor 2 оказалось на сотни деталей меньше, чем у его предшественника, а стоимость опустилась до 1 млн долл. за штуку.

Инженеры SpaceX отказались от всего, что не выполняет жизненно важных функций. «Например, у любого двигателя есть множество клапанов, регулирующих подачу жидкостей или газов, — объясняет Виктор Булыбенко. — При огромном давлении им требуется очень большое усилие для переключения, поэтому там традиционно устанавливают пневматические приводы. Но в Raptor 2 стали использовать электроприводы — они уже стали достаточно мощными, компактными и надежными. Это позволило выбросить всю пневматическую систему, рез ко упростив конструкцию. То же и со многими датчиками: их либо заменили более простыми элементами, либо вовсе убрали, а вместо многих разборных соединений сделали сварные — они легче и дешевле».

В третьей версии разработчики пошли еще дальше. Чтобы получать цельные и крайне прочные металлические детали сложных форм, они активно использовали 3D-печать. Это позволило превратить внешние трубки в каналы внутри стенок и деталей двигателя. Без них оказались не нужны и другие клапаны и датчики, а также множество кожухов, которые защищали их от перегрева: трубка и провод не могут расплавиться, если их попросту нет.

«Raptor 3 выглядит как скелет двигателя, — удивляется Виктор. — Сперва мне даже показалось, что его не до конца собрали, не обвесили всеми системами. Но нет, просто все спрятано внутрь. По сути, это приближение к идеалу — к схеме построения РД, которая изображена в любом учебнике, к самой идее двигателя».

Очередное упрощение привело к дальнейшему снижению стоимости. В SpaceX не называют цифр, но эксперты уверены, что Raptor 3 стоит 500-700 тысяч долларов — в полтора-два раза дешевле предшественника. Без лишних деталей двигатель оказался устойчивее к внешним условиям, а давление в камере сгорания достигло рекордных 350 атмосфер. Даже советский РД-701, созданный для космической системы МАКС (так и не реализованной), давал всего 300. Однако неугомонный американец обещает, что следующие поколения Raptor превысят планку в 400 атмосфер. А это уже недалеко от предела, связанного с физическими свойствами материалов.

Виктор Булыбенко отмечает: «При выборе материала для камеры сгорания основное ограничение накладывает не прочность, а теплопроводность. Сколько тепла мы сможем отвести, прежде чем стенки начнут плавиться и гореть? Для большинства ракетных двигателей выбирают бронзу: пусть у нее не самая высокая прочность, пусть она плавится всего при 1100 °С, зато теплопроводность огромная».

Поэтому инженеры SpaceX использовали дополнительное охлаждение. Через отверстия вдоль стенок часть обогащенного горючим восстановительного газа поступает внутрь камеры. Возникает холодная прослойка, которая плохо передает тепло, защищая металл от прямого контакта с раскаленными продуктами горения.

Эффективность такой завесной системы видна на некоторых видеозаписях с неудачных испытаний Raptor: если впрыснутого газа по какой-то причине оказалось недостаточно, из сопла вырывается зеленое пламя — результат горения бронзовой стенки. Наконец, самое узкое место камеры сгорания защищено диоксидом циркония — тугоплавкой керамикой. Но если продолжать наращивать температуру и давление, керамическое покрытие лопнет, а для завесного охлаждения придется использовать слишком много газа, что равносильно пустой трате горючего.

«Скоро Маск упрется в границу, связанную именно с охлаждением. Ни один подходящий материал не сможет передавать нужное количество тепла на охладитель, а завесная защита перестанет справляться без заметного снижения эффективности двигателя, — считает Виктор. — По моим оценкам, это произойдет при давлении в камере сгорания на уровне 600–700 атмосфер. А ведь Илон пообещал довести его до 400–450 уже в следующих поколениях РД. И у него наверняка получится: в SpaceX работают лучшие инженеры отрасли — они доказали, что могут практически все. Так что с новыми Raptor мы вплотную подойдем к теоретическому пределу для химических ракетных двигателей, к максимуму, который можно выжать из такой системы с нынешними технологиями».