Двигатель Raptor, или как Маск собрался космос покорять

Самый громкий проект

Любой ракетный двигатель является частью некой программы, преследующей, в свою очередь, вполне определенные цели. Так, знаменитый советский РД-170 разработали специально для сверхтяжелой ракеты «Энергия», а американский RS-25 — для «Спейс шаттла». Все это было частью космического противостояния сверхдержав.

По аналогии с уже упомянутыми изделиями «Раптор» тоже создается для вполне определенных задач. Иногда двигатель упоминают в контексте созданной SpaceX ракеты Falcon 9, имеющей многоразовую первую ступень. Это неспроста. В 2016 году компания заключила с ВВС США контракт на сумму 33,6 млн долларов на разработку прототипа варианта двигателя «Раптор», который предназначен для применения на верхней ступени ракет Falcon 9 и перспективной Falcon Heavy. Вообще же, на этих ракетах применили современные двигатели Merlin 1D+ и Merlin 1D+ Vacuum, созданные, кстати, тоже в недрах SpaceX. Так что «Фэлконы» могут летать и без «Раптора», спокойно выполняя стоящие перед ними задачи.

Концепция «Раптора» родом из другой оперы. Он является частью масштабного проекта Маска под названием Interplanetary Transport System. Это, без сомнения, самая амбициозная программа в истории компании SpaceX. В рамках нее хотят создать гигантскую многоразовую ракету-носитель с диаметром корпуса 12 метров и выводимый ею на орбиту огромный пилотируемый космический корабль с диаметром корпуса 17 метров. Третья важная составляющая — внешне похожий на сам корабль космический аппарат-заправщик. Предполагается, что вместимость пилотируемого космического корабля составит примерно 100 человек. Для сравнения, максимальный экипаж «Спейс шаттла» составлял восемь человек. А отечественный «Союз» вмещает до трех человек, причем чувствуют они себя на борту, мягко скажем, тесновато.

50-метровый корабль Маска будет выглядеть гигантом на фоне вообще всех космических кораблей, существовавших когда-либо. На нем хотят установить целых девять маршевых двигателей Raptor. Но это еще цветочки, ведь на самой ракете-носителе планируют установить 42 (!) «Раптора». Ни одна ракета в истории, будь то американская «Сатурн-5» или советская Н-1, даже близко не сравнится по возможностям с творением Маска.

Концепция ITS — часть еще более масштабного проекта Илона Маска, направленного на колонизацию Марса. При этом разработанный космический транспорт компания SpaceX хочет использовать и для полетов к другим планетам Солнечной системы.

Почему Raptor?

И тут возникает вполне закономерный вопрос: почему же Маск выбрал инструментом для выполнения столь сложных задач именно «Раптор»? Первым любопытным решением стал выбор топлива. Двигатель работает на жидком метане и жидком кислороде, а не на керосине RP-1 и жидком кислороде, как в случае с ракетой Falcon 9. Это дает сразу несколько преимуществ. Пара жидкий метан/жидкий кислород имеет достаточно высокую плотность, что не потребует существенного увеличения баков при необходимости дополнительного запаса топлива. Ранее инженеры SpaceX также рассматривали вариант, при котором бы использовался не метан, а жидкий водород. Но последний более агрессивен по отношению к используемым в ракетостроении материалам, поэтому от этой идеи отказались.

По сравнению с парой RP-1/жидкий кислород, применение на двигателе «Раптор» выбранной пары позволит снизить количество образующейся в двигателях сажи, что уменьшит затраты на предстартовую подготовку ракеты и в целом повысит надежность двигателей. Наконец, метан является доступным и относительно дешевым топливом, которое можно добывать прямо на Марсе, что критично важно в рамках проекта колонизации Марса, который предложил Маск.

У двигателя Raptor будет еще одно важное преимущество, не считая удачно выбранной «метановой» схемы. «Раптор» станет первым в мире запускаемым в полномасштабное производство жидкостным ракетным двигателем с полнопоточным закрытым циклом — самым эффективным закрытым циклом.

Закрытый цикл применили, в частности, на двигателях «Спейс шаттла» RS-25, а также в ряде отечественных двигателей, в частности РД-180. Но использованный на «Рапторе» полнопоточный закрытый цикл вплоть до настоящего времени виделся инженерам чем-то вроде «недостижимого идеала». Во всяком случае, если говорить о серийных изделиях.

Этот вопрос стоит рассмотреть более детально. У ракетного двигателя с замкнутой схемой один из компонентов газифицируется в газогенераторе путем сжигания при невысокой температуре с небольшой частью другого компонента. Получаемый в итоге горячий газ используется в качестве рабочего тела турбины турбонасосного агрегата. Сработавший на турбине генераторный газ в конечном итоге попадает в камеру сгорания двигателя, куда также подается оставшаяся часть неиспользованного компонента топлива. В камере сгорания завершается сжигание компонентов и создается реактивная тяга.

В случае с полнопоточным ступенчатым циклом сгорания происходит газификация всего топлива в двух газогенераторах. В одном из них незначительная часть горючего сжигается с практически полным расходом окислителя, а в другом — почти полный расход горючего сжигается с оставшейся частью окислителя. Жидкостный ракетный двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов имеет более высокий, в сравнении с другими схемами, удельный импульс, обладает большей надежностью и лучшими показателями пожарной безопасности.

Собственно, ничего «суперреволюционного» в этой концепции нет. Выбранную схему применяли на советском двигателе РД-270, который создали еще в 60-е. Правда, он в качестве топлива использовал токсичный и весьма нелюбимый экологами гептил. Проект этого двигателя закрыли вместе со сворачиванием проекта советской «лунной» ракеты УР-700, для которой он, собственно, и предназначался.

Наконец, самое главное, о чем нельзя не упомянуть в свете намерений Маска. Неизвестно, как сложится судьба Interplanetary Transport System: все-таки в этом случае SpaceX замахнулась на что-то почти невероятное. Но вот создание Raptor — вполне реальная цель для уже доказавшей свои способности компании.

В пользу этого говорят и первые успешные огневые испытания двигателя, проведенные осенью прошлого года. Увы, детально характеристики «Раптора» на тот момент озвучены не были. Очевидно, впереди нас ожидает ознакомление со многими интересными деталями новинки. Остается только набраться терпения и ждать.