Паровозик з Хантсвіллю

26 березня цього року зі стартового комплексу LC41, який належить до Cape Cannaveral Air Force Station, наймолодший вид Збройних Сил США – US Space Force, запустив першу у своїй історії ракету – РН Atlas V. Цей запуск завершив побудову орбітальної групи AEHF (Advanced Extremely High Frequency) – сузір’я з 6-ти геостаціонарних супутників зв’язку для US DoD, які дозволять США мати високоякісний зв’язок із військами у будь-якій точці світу. Як бачите, досить багато фактів, вартих окремої статті. Але у цьому запуску був один рекорд, який мене особливо вразив, і герою якого я хочу присвятити цей текст.

Справа в тому, що найсучасніший військовий супутник зв’язку на його цільову орбіту вивів перший в світі серійний водневий РРД Aerojet Rocketdyne RL-10. Це був п’ятисотий двигун цієї конструкції, вироблений і запущений з моменту його створення на початку 60-х! Уявляєте? З огляду на це дуже не мале число, а також на той факт, що я у захваті від цього двигуна з моменту мого знайомства з його конструкцією (на жаль, на папері – у підручнику), я думаю, що вам варто ближче із цим шедевром ракетобудування.

Наприкінці 50-х років минулого сторіччя US Air Force ініціювали програму Lunex. Ще до початку першого польоту людини в космос вони планували в 1961 році здійснити пілотований політ на Місяць, а до 1968 року розгорнути повноцінну місячну підземну базу з постійною присутністю 21 людини. Амбіціозненько, чи не так? Як ми усі знаємо, нічого з цього не вийшло, але як це часто бувало в історії космонавтики, мертвонароджений проект таки залишив побічне дитя – двигун RL-10. Справа в тому, що для місячного корабля із прямим польотом на поверхню нашого супутника був потрібен РРД з високими характеристиками, можливістю багаторазового запуску і широким діапазоном регулювання тяги.

За справу взялися Pratt & Whitney і  Marshall Space Flight Center, що у Хантсвіллі, Алабама. І коли Lunex закрили, у них на руках залишився реальний РРД з досить таки непоганими характеристиками: пальне кисень-водень, тяга 6,6 тон, питомий імпульс тяги 4 165 м/с, час роботи 430 с. при сухій масі 131 кг (що таке питомий імпульс тяги, і які бувають компоненти ракетного пального, ви можете прочитати тут). Звичайно, такому двигуну знайшлося використання, і у 1961 році він здійснив свій перший політ, випробувальний, щоправда, у складі РН Atlas Centaur. Так-так, це був предок Atlas V який зараз активно випускає ULA. Очевидно, що сучасний Атлас дуже відрізняється від першого, а ось ступінь Centaur, як і сам RL-10, змінилися набагато менше. Тобто, герой нашої оповіді активно літає в космос вже протягом майже 60-ти років. Єдиний відомий мені РРД, старший від RL-10, який досі літає – знаменитий РД-107. Уперше він полетів у 1957 році. Вивів перший супутник, потім – Гагаріна, і досі возить людей на МКС. Але цей двигун стоїть фактично на одній і тій самій Р-7, хай і модифікованій, а ось RL-10 “поселився” на багатьох ракетах. Загинайте пальці:

• у складі ступеню Centaur на Atlas’ах від I і до сучасного V, а також на Titan III і IV;
• на РН Delta III та IV він політав як основний двигун Delta Cryogenic Second Stage;
• шість RL-10 стояли на ступені S-IV РН Saturn-I.

І найкоротша та й, певно, найменш відома (проте як на мене, найцікавіша) кар’єра у RL-10 була на експериментальній ракеті McDonnell Douglas DC-X Delta Clipper. Цей прототип багаторазової одноступінчатої РН вертикального зльоту і посадки (VTOVL SSTO) повністю використав можливості RL-10 змінювати свою тягу у діапазоні від 100% до 30% номіналу. І хай він так і не зміг дістатися орбіти, але здійснив свій перший політ і ракетну посадку ще у 1993 році. Так-так, ракету навчилися саджати вертикально на тязі двигунів задовго до Blue Origin, не кажучи вже про SpaceX.

Але що крім довголіття робить RL-10 унікальним? Чим він так мене вразив свого часу та чому я назвав так цю статтю? Якщо з Хантсвіллом вже менш більш ясно, то чому паровозик –спитаєте ви.

Тому що він працює на парі. Ага. Не на водяній звичайно, а на водневій, але фактично на парі. Як це? Давайте розповім.

Для початку трошки теорії, як завше :). Для того щоб отримати більш-менш пристойний тиск у камері згоряння РРД використовують відцентрові насоси, які крутить турбіна. Власне, одне із важливих питань конструкції двигуна – це чим приводити цю турбіну в рух.

Можна крутити турбіну продуктами розкладу перекису водню, як на А-4 і РД-107/108. Можна спалювати трііішечки основних компонентів, крутити отриманим газом турбіну і викидати його за борт, як це роблять F-1, Merlin, Vulcain, та купа інших. Це називається відкрита схема.

Можна спалювати весь компонент, просто не до кінця, подати його на турбіну, а потім вже допалювати його у камері згоряння. Це – закрита схема, і її використовують RS-25, РД-170, РД-253, Raptor і ще багато двигунів.

У всіх цих схемах є газогенератор, який створює потік гарячого газу для приводу турбіни. Так-от, у RL-10 турбіна є, а газогенератору…. НЕМА. Ось, самі дивіться

Не зважаючи на те, що я позначив кольорами потоки кисню і водню (блакитний та червоний/рожевий відповідно) схема, очевидно, потребує пояснення. Як ви можете побачити, рідкий водень подається насосом в канали охолодження камери згоряння. Охолодження КЗ одним із компонентів пального придумали ще німці на А-4, і нічого особливого в цьому нема. Але зазвичай, охолодження розраховують так, щоб цей компонент не закипів, бо як ми пам’ятаємо з фізики, теплоємність (та інші важливі термодинамічні характеристики) рідини і газу сильно відрізняються. Наприклад вода прекрасно передає тепло, а водяна пара – вже ні. І саме тому тонкий шар парів поту захищає руку ливарників-понтовиків, коли вони показують молодим фокус із зануренням долоні у розплавлений метал.

Але водень… Я вже писав – водень, він не такий. Ми можемо дозволити водню закипіти у тракті охолодження, бо газоподібний водень відбирає і переносить тепло не набагато гірше. І от, цей газоподібний водень, фактично, – пара рідкого водню з температурою 200К (-73° С !), і крутить турбіну турбо-насосного агрегату. Не продукт згоряння, а продукт кипіння! Я ж кажу вам – па-ро-во-зик! Стартує RL-10 сам, без розкрутки. Під тиском з баків водень потрапляє у канали охолодження, і позаяк температура його кипіння усього 20К, він там закипає, крутить турбіну, а вже при досягненні мінімально потрібного тиску відкриваються пускові клапани, і електроіскровий блок підпалює суміш у КЗ. Водень нагрівається ще більше, турбіна крутиться ще швидше, і двигун плавно виходить на робочий режим. Скажіть, яка краса!

Звичайно, це можливо тільки з воднем. Бо він – не лише прекрасний охолоджувач в рідкому чи газоподібному стані. Він ще є ідеальним робочим тілом турбіни, здатним крутити її навіть при такій низькі температурі. Правда, через водень інженерам таки довелося поставити на ТНА штуку, яка в принципі звичайна для автомобілів та купи інших механізмів, але яку я не бачив більше ні на жодному ракетному двигуні – зубчатий редуктор. (а, ні – нагадали, бачив. На РД-107 через зубчаті передачу крутять допоміжні насоси) Цей редуктор видно на схемі, а ще краще – на фотографії:

Чому ж довелося ставити зубчату передачу, яка додає маси та складності? Та ще й в агрегат, де змазувати й охолоджувати її приходиться рідким воднем. Проблема в тому, що для оптимальної роботи усі три лопатеві машини, які складають ТНА – турбіна, водневий насос та насос кисню, потребують різних частот обертання. У даному випадку, турбіна разом із водневим насосом роблять 504 оберти за секунду. Що не дивно, оскільки і турбіна “любить” високі обороти, і водень з його малою щільністю потребує високих обертів для того, щоб насос міг його перекачувати. А от кисневий насос, найімовірніше, на таких обертах буде кавітувати. І це, до речі, класична проблема водневих двигунів. На RL-10 її вирішили за допомогою цього редуктору, який дозволив крутити кисневий насос більш ніж удвічі повільніше – 202 оберти за секунду. А ось на інших водневих двигунах – J-2, RS-25 aka SSME, французькому Vulcain, стоять окремі ТНА для водню і кисню. Кожен – зі своєю турбіною, і часто навіть зі своїм газогенератором.

А ось на радянському 11Д122 ака РД-0120 (і про це, до речі, не в курсі американський автор статті про Raptor ;)), конструктори КБХА таки змогли поставити і турбіну, і обидва насоси на спільний вал. Таким чином, розробникам вдалося спростити конструкцію і уникнути проблем із регулюванням двигуна та високочастотними коливаннями. Але і на 11Д122 водень кип’ятять. Звісно, не для приводу основного ТНА 200-тонного двигуна – бо для цього пари не вистачить. А от бустерний ТНА, який стоїть на водневому баці і дозволяє знизити тиcк наддуву, крутять так само водневим паром, який отримують у тракті охолодження камери. Так красиве рішення ветерана RL-10 використали на складному і потужному аналогу SSME.

Тож, 26 березня Atlas V почав свій політ за допомогою, напевно, найскладнішого із сучасних серійних РРД РД-180, але його роботу довершив ветеран RL-10. 60 років тому інженери Pratt & Whitney разом із MSFC блискуче вирішили проблеми створення першого водневого двигуна і створили конструкцію, яка допомогла вивести в космос безліч супутників та міжпланетних станцій. RL-10 пройшов через масу модифікацій, розширив свій діапазон регулювання тяги до фантастичного інтервалу 104%-5,9%, збільшив свій питомий імпульс тяги, та трошки набрав ваги :). Його частини почали друкувати за допомогою 3D-принтеру, його форсунку вдосконалили, а на його сопло придумали прилаштовувати насадку для вакууму. За ці роки RL-10 змінив місце виробництва, і тепер його випускає Aerojet Rocketdyne. Але двигун-ветеран ще не йде на пенсію. Нові, удосконалені версії RL-10 вже готуються зайняти своє місце на наступному поколінні американських РН — SLS, OmegA, Vulcan Centaur.

Тож, ми ще побачимо нові і нові польоти цього надійного паровозика з Ханствіллу.
Чу-чуууух!