Ракетные двигатели РД-180 и РД-181 космических машин

Ракетные двигатели РД-180 и РД-181 космических машин

Однажды подразделение космических систем американской компании «General Dynamics» приняло решение изучить возможности модернизации облегчённой ракеты-носителя среднего класса «Atlas II». Модернизация предназначалась для снижения затрат и увеличения грузоподъёмности с целью создания конкурентоспособной космической машины в рамках мирового рынка. На фоне дружественных отношений 90-х годов американцы решили заключить контракт с российским НПО «Энергомаш», чтобы тем самым получить новые ракетные двигатели на жидком топливе.

Российские ракетные двигатели РД-180 и РД-181 Америке

Американцы предпочли отметить в рамках контракта, чтобы русские инженеры создали ракетные двигатели на базе существующей четырёхкамерной разработки РД-170. Созданный новый двухкамерный двигатель, фактически представляющий конструктивно половину этой известной космической машины, получил обозначение РД-180.

Что примечательно, тогдашние представители американской власти сочли сие событие как помощь российским инженерам-специалистам, оставшимся без средств существования. Кроме того, американцы, как отмечалось официально, очень сильно опасались, что российские технологии станут доступны так называемым по определению США «странам-изгоям».

Реально же, американцы решили попросту извлечь выгоду из иностранных технологий, в частности, российских, благодаря чему, продвинуть (разработать) американские космические машины следующего поколения. Тогда перед американскими политиками ещё не стоял вопрос – как можно скорее отойти от русских РД-180 к альтернативным вариантам запуска, включая двигатели ракет вооружённых сил США.

Простые, но высоконадёжные конструкции российских ракетных двигателей РД-180 и РД-181, на момент 90-х годов рассматривались американцами высокотехнологичными системами. Поэтому таковые пытались скопировать, чтобы получить полную альтернативу производства США.

Справедливости ради нужно отметить — такие копии были созданы. Однако получить реально точный технический результат инженерам США не удалось до настоящего дня. Даже сегодня, технологично устаревшие, ракетные двигатели РД-180 и РД-181 остаются конкурентоспособными продуктами, о каких продолжают мечтать американцы.

Американские космические машины под оснащение

На картинке ниже показан расклад американских ракетных систем. В частности, малая конфигурация (Atlas V 401), способная доставлять до 9072 кг на низкую околоземную орбиту и 4750 кг на геостационарную переходную орбиту. Для сравнения, самая мощная конфигурация (Atlas V 551) способна нести 18 814 кг и 8 900 кг, соответственно.

Американские инженеры фирмы «Aerojet Rocketdyne» первыми взялись за работу по созданию альтернативы российской машине РД-180. Альтернатива получила название – «AR1». Аналогично технологии ракетного двигателя РД-180, технология американцев «AR1» рассчитана под использование топлива LOX / RP-1 (жидкий кислород / керосин).

Ракетные двигатели РД-180 и РД-181 космических машин + модернизированный вариант
Модернизированный вариант на российский ракетный двигатель РД-180, предназначенный для оснащения сверхтяжёлой космической машины носителя

Однако машина «AR1» не способна работать при высоком давлении (250 АТИ) в камере сгорания, как это делает ракетный двигатель РД-180. Кроме того, российская машина имеет один комплект турбонасосов, питающий две камеры сгорания и два сопла. Для работы системы «AR1» требуется два совершенно отдельных двигателя с двумя комплектами турбонасосов.

Такая конфигурация утяжеляет конструкцию «AR1», снижает тяговую вооружённость. Чтобы компенсировать более низкий параметр «Isp» на уровне моря и более низкое отношение тяги к весу, разработка «AR1» нацелена на достижение более высокой максимальной тяги.

Поскольку эксплуатационные характеристики здесь отличаются от характеристик российского ракетного двигателя РД-180, налицо вовсе не простая «прямая замена», но замена, требующая модификации ракет «Atlas V». Требуется усиление конструкции с расчётом выдержки тяги более высокого уровня. Также видится необходимой разработка и тестирование модифицированного интерфейса. Но модификации, наряду с более низким параметром «Isp», приведут к уменьшению общей грузоподъемности ракет «Atlas V».

Немного общей информации на российско-американский тандем

Ракетный двигатель РД-180, продукт производства НПО «Энергомаш» (Россия), продаётся в США компанией «RD AMROSS» (совместное предприятие «Pratt & Whitney» и НПО «Энергомаш»). Продукт используется фирмой «United Launch Alliance» (совместное предприятие «Lockheed Martin Corporation» и «The Boeing») в качестве силовой машины первой ступени ракеты «Atlas V».

Второй российский двигатель РД-181, также продукт производства НПО «Энергомаш», использует для собственных целей корпорация «Orbital Sciences Corporation». В частности, для приведения в действие ракеты «Antares», посредством которой осуществляются миссии по доставке на Международную космическую станцию.

Ракетные двигатели РД-180 и РД-181 космических машин + базовая основа РД-170
Камера сгорания – одна из четырёх, что составляют основу ракетного двигателя российского производства РД-170, выступающего своеобразной базой разработки «180»

Как уже упоминалось, разработка РД-180 базируется на двигателях РД-170/РД-171. Конструкция РД-170 использовалась в составе советской ракеты-носителя «Энергия». Двигателями РД-171 оснащались различные версии ракет «Зенит»  (российско-украинское производство).

Эти же силовые машины применяются российской космической отраслью для организации запусков государственного значения, а также компаниями «Sea Launch» и «Land Launch». Обе компании нацелены на выполнение коммерческих запусков искусственных спутников Земли.

Первым разработчиком американских ракет «Atlas V» выступила фирма «Convair», являющаяся подразделением компании «General Dynamics». На момент 1994 года «Convair» купила компания «Martin Marietta». Объединением «Martin Marietta» с корпорацией «Lockheed» американцы образовали корпорацию «Lockheed Martin».

Управляющие корпорации договорилась относительно прав на применение ракетных двигателей РД-180 в качестве силовых машин первой ступени ракеты-носителя «Atlas V». Изначально ставка делалась на права под запуск коммерческих спутников, затем в рамках программы Министерства обороны США по созданию усовершенствованной одноразовой ракеты-носителя.

Кратко характеристика российских силовых машин

Конструкция РД-180 рассчитана под комбинацию топлива керосин / жидкий кислород. Машина имеет двойную камеру сгорания и конструкцию двух сопел. Систему допустимо регулировать с целью увеличения или уменьшения тяги. Причём регулировку доступно проводить на различных этапах полёта ракеты. Производительность двигателя отмечается на уровне 400 000 кг на уровне моря.

Силовая машина РД-181 также рассчитана под топливную комбинацию керосин / жидкий кислород. Конструкция содержит одну камеру сгорания и сопло. Эта силовая машина обеспечивает на 28% большую тягу, по сравнению с американской модификацией «AJ-26». Производительность отмечается на уровне 200 000 кг тяги на уровне моря.

Ракетные двигатели РД-180 и РД-181 космических машин + схема конструкции
Схема на ракетный двигатель РД-180: 1 — главный топливный клапан камеры; 2 – тиэрголическая стартовая ампула; 3 — клапан управления тягой; 4 — подкачивающий топливный насос; 5 — клапан подачи топлива; 6 – ввод керосина; 7 – пребумер; 8 – турбина; 9 – теплообменник; 10 – ввод жидкого кислорода; 11 – кислородный бустер насос; 12 – основной клапан кислорода; 13 – кислородный насос; 14 – топливный насос

Для США попросту нет сопоставимой альтернативы, обеспечивающей аналогичную тягу и удельный импульс. Российский ракетный двигатель РД-180 поддерживает весь спектр миссий «Atlas V», включая:

  • организацию армейской связи,
  • сбор разведывательных данных,
  • предупреждение о ракетах противника,
  • исследование планет,
  • исследования в области наук о Земле,
  • запуски коммерческих спутников,
  • возможные полёты человека в космос в будущем.

Применительно к выполнению задач ракеты-носителя «Antares», благодаря российским силовым машинам осуществляется вывод на орбиту грузовых кораблей снабжения «Cygnus» для обслуживания Международной космической станции. Также выполняется запуск коммерческих спутников с перспективой запусков военных спутников посредством ракет «Antares».

Благодаря российским силовым машинам РД-180, американцы совершили 68 космических полётов, из которых 62 полёта на ракетах «Atlas V» и шесть полётов на ракетах «Atlas III». Вторая машина РД-180 отмечена меньшими пусками, но только по причине более позднего внедрения. Все полёты отмечались стопроцентным успехом.

Заключение

Итак, Америка не имеет альтернативы силовым машинам РД-181, во всяком случае теперь. Каковы краткосрочные и долгосрочные последствия, как положительные, так и отрицательные, получат американцы, если рассмотренные силовые машины России станут недоступны?

Правительством США инвестировано около 300 миллионов долларов за последние 20 лет в технологии, связанные с двигателями класса «ORSC». По оценкам Министерства обороны, на пять лет потребуется не менее 1 миллиарда долларов для наладки производства ракетных двигателей класса РД-180 на территории США.

Теперь Россия прекращает поставки уникального продукта. Значит, часть космических миссий американцам придётся перенести на ракеты «Delta IV». Здесь используется силовая  машина «RS-68» производства фирмы «Aerojet Rocketdyne». Этот американский ракетный двигатель, развивающий тягу 300 000 кг на уровне моря, работающий на жидком водороде и жидком кислороде – далеко не тот уровень надёжности и безопасности, что даёт российская конструкция.


При помощи информации: SpaceFoundation