Какой ракетный двигатель самый лучший?

[lozga.livejournal.com]

Ракетные двигатели - одна из вершин технического прогресса. Работающие на пределе материалы, сотни атмосфер, тысячи градусов и сотни тонн тяги - это не может не восхищать. Но разных двигателей много, какие же из них самые лучшие? Чьи инженеры поднимутся на пьедестал почета снисходительно объясняя проигравшим, что они проиграли из-за дикости народа, страшной истории и кошмарного политического режима их страны? Пришло, наконец, время со всей прямотой ответить на этот вопрос.

К сожалению, по внешнему виду двигателя нельзя сказать, насколько он замечательный. Приходится закапываться в скучные цифры характеристик каждого двигателя. Но их много, какую выбрать?

Мощнее

Ну, наверное, чем мощнее двигатель, тем он лучше? Больше ракета, больше грузоподъемность, быстрее начинает двигаться освоение космоса, разве не так? Но если мы посмотрим на лидера в этой области, нас ждет некоторое разочарование. Самая большая тяга из всех двигателей, 1400 тонн, у бокового ускорителя Спейс Шаттла.



Несмотря на всю мощь, твердотопливные ускорители сложно назвать символом технического прогресса, потому что конструктивно они являются всего лишь стальным (или композитным, но это неважно) цилиндром с топливом. Во-вторых, эти ускорители вымерли вместе с шаттлами в 2011 году, что подрывает впечатление их успешности. Да, те, кто следят за новостями о новой американской сверхтяжелой ракете SLS скажут мне, что для нее разрабатываются новые твердотопливные ускорители, тяга которых составит уже 1600 тонн, но, во-первых, полетит эта ракета еще не скоро, не раньше конца 2018 года. А во-вторых, концепция "возьмем больше сегментов с топливом, чтобы тяга была еще больше" является экстенсивным путем развития, при желании, можно поставить еще больше сегментов и получить еще большую тягу, предел тут пока не достигнут, и незаметно, чтобы этот путь вел к техническому совершенству.

Второе место по тяге держит отечественный жидкостной двигатель РД-171М - 793 тонны.


Четыре камеры сгорания - это один двигатель. И человек для масштаба

Казалось бы - вот он, наш герой. Но, если это лучший двигатель, где его успех? Ладно, ракета "Энергия" погибла под обломками развалившегося Советского Союза, а "Зенит" прикончила политика отношений России и Украины. Но почему США покупают у нас не этот замечательный двигатель, а вдвое меньший РД-180? Почему РД-180, начинавшийся как "половинка" РД-170, сейчас выдает больше, чем половину тяги РД-170 - целых 416 тонн? Странно. Непонятно.

Третье и четвертое места по тяге занимают двигатели с ракет, которые больше не летают. Твердотопливному UA1207 (714 тонн), стоявшему на Титане IV, и звезде лунной программы двигателю F-1 (679 тонн) почему-то не помогли дожить до сегодняшнего дня выдающиеся показатели по мощности. Может быть, какой-нибудь другой параметр важнее?

Эффективнее

Какой показатель определяет эффективность двигателя? Если ракетный двигатель сжигает топливо, чтобы разгонять ракету, то, чем эффективнее он это делает, тем меньше топлива нам нужно потратить для того, чтобы долететь до орбиты/Луны/Марса/Альфы Центавра. В баллистике для оценки такой эффективности есть специальный параметр - удельный импульс.

Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива

Рекордсмены по тяге оказываются, в лучшем случае, в середине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, а F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются глубоко в хвосте. Казалось бы, вот она, важнейшая характеристика. Но посмотрим на лидеров списка. С показателем 9620 секунд на первом месте располагается малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP


Это не пожар в микроволновке, а настоящий ракетный двигатель. Правда, микроволновка ему все-таки приходится очень отдаленным родственником...

Двигатель HiPEP разрабатывался для закрытого проекта зонда для исследования лун Юпитера, и работы по нему были остановлены в 2005 году. На испытаниях прототип двигателя, как говорит официальный отчет NASA, развил удельный импульс 9620 секунд, потребляя 40 кВт энергии.

Второе и третье места занимают еще не летавшие электрореактивные двигатели VASIMR (5000 секунд) и NEXT (4100 секунд), показавшие свои характеристики на испытательных стендах. А летавшие в космос двигатели (например, серия отечественных двигателей СПД от ОКБ "Факел") имеют показатели до 3000 секунд.


Двигатели серии СПД. Кто сказал "классные колонки с подсветкой"?

Почему же эти двигатели еще не вытеснили все остальные? Ответ прост, если мы посмотрим на другие их параметры. Тяга электрореактивных двигателей измеряется, увы, в граммах, а в атмосфере они вообще не могут работать. Поэтому собрать на таких двигателях сверхэффективную ракету-носитель не получится. А в космосе они требуют киловатты энергии, что не всякие спутники могут себе позволить. Поэтому электрореактивные двигатели используются, в основном, только на межпланетных станциях и геостационарных коммуникационных спутниках.

Ну, хорошо, скажет читатель, отбросим электрореактивные двигатели. Кто будет рекордсменом по удельному импульсу среди химических двигателей?

С показателем 462 секунды в лидерах среди химических двигателей окажутся отечественный КВД1 и американский RL-10. И если КВД1 летал всего шесть раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 - успешный и уважаемый двигатель для верхних ступеней и разгонных блоков, прекрасно работающий уже много лет. В теории, можно собрать ракету-носитель целиком из таких двигателей, но тяга одного двигателя в 11 тонн означает, что на первую и вторую ступень их придется ставить десятками, и желающих так делать нет.

Можно ли совместить большую тягу и высокий удельный импульс? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (ну не горит водород с кислородом с удельным импульсом больше ~460, физика запрещает). Были проекты атомных двигателей (раз, два), но дальше проектов это пока не ушло. Но, в целом, если человечество сможет скрестить высокую тягу с высоким удельным импульсом, это сделает космос доступней. Есть ли еще показатели, по которым можно оценить двигатель?

Напряженней

Ракетный двигатель выбрасывает массу (продукты сгорания или рабочее тело), создавая тягу. Чем быстрее летит эта самая масса, тем эффективней двигатель ее выбрасывает. И у жидкостных ракетных двигателей есть параметр, который показывает эффективность истечения продуктов сгорания - давление в камере сгорания. Чем больше давление, тем быстрее будут лететь молекулы продуктов сгорания. Двигатель с более высоким давлением в камере сгорания будет эффективнее двигателя с низким давлением на том же топливе. И если мы отсортируем список двигателей по давлению в камере сгорания, то пьедестал будет оккупирован Россией/СССР - в нашей конструкторской школе всячески старались делать эффективные двигатели с высокими параметрами. Первые три места занимает семейство кислородно-керосиновых двигателей на базе РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).


Камера сгорания РД-180 в музее. Обратите внимание на количество шпилек, удерживающих крышку камеры сгорания, и расстояние между ними. Хорошо видно, как тяжело удержать стремящиеся сорвать крышку 258 атмосфер давления

Четвертое место у советского РД-0120 (216 атм), который держит первенство среди водородно-кислородных двигателей и летал два раза на РН "Энергия". Пятое место тоже у нашего двигателя - РД-264 на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на РН "Днепр" работает с давлением в 207 атм. И только на шестом месте будет американский двигатель Спейс Шаттла RS-25 с двумястами тремя атмосферами.

Надежней

Каким бы ни был многообещающим по характеристикам двигатель, если он взрывается через раз, пользы от него немного. Сравнительно недавно, например, компания Orbital была вынуждена отказаться от использования хранившихся десятилетиями двигателей НК-33 с очень высокими характеристиками, потому что авария на испытательном стенде и феерический по красоте ночной взрыв двигателя на РН Antares поставили под сомнение целесообразность использования этих двигателей дальше. Теперь Antares будут пересаживать на российский же РД-181.


Большая фотография по ссылке

Верно и обратное - двигатель, который не отличается выдающимися значениями тяги или удельного импульса, но надежен, будет популярен. Чем длиннее история использования двигателя, тем больше статистика, и тем больше багов в нем успели отловить на уже случившихся авариях. Двигатели РД-107/108, стоящие на "Союзе", ведут свою родословную от тех самых двигателей, которые запускали первый спутник и Гагарина, и, несмотря на модернизации, имеют достаточно невысокие на сегодняшний день параметры. Но высочайшая надежность во многом окупает это.

Доступней

Двигатель, который ты не можешь построить или купить, не имеет для тебя никакой ценности. Этот параметр не выразить в числах, но он не становится от этого менее важным. Частные компании часто не могут купить готовые двигатели задорого, и вынуждены делать свои, пусть и попроще. Несмотря на то, что те не блещут характеристиками, это лучшие двигатели для их разработчиков. Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin-1D компании SpaceX составляет всего 95 атмосфер, рубеж, который инженеры СССР перешли в 1960-х, а США - в 1980-х. Но Маск может делать эти двигатели на своих производственных мощностях и получать по себестоимости в нужных количествах, десятками в год, и это круто.


Двигатель Merlin-1D. Выхлоп из газогенератора как на "Атласах" шестьдесят лет назад, зато доступно

TWR

Раз уж зашла речь о спейсэксовских "Мерлинах", нельзя не упомянуть характеристику, которую всячески форсили пиарщики и фанаты SpaceX - тяговооруженность. Тяговооруженность (она же удельная тяга или TWR) - это отношение тяги двигателя к его весу. По этому параметру двигатели Merlin с большим отрывом впереди, у них он выше 150. На сайте SpaceX пишут, что это делает двигатель "самым эффективным из всех когда-либо построенных", и эта информация разносится пиарщиками и фанатами по другим ресурсам. В английской Википедии даже шла тихая война, когда этот параметр запихивался, куда только можно, что привело к тому, что в таблице сравнения двигателей этот столбец вообще убрали. Увы, в таком заявлении гораздо больше пиара, нежели правды. В чистом виде тяговооруженность двигателя можно получить только на стенде, а при старте настоящей ракеты двигатели будут составлять меньше процента от ее массы, и разница в массе двигателей ни на что не повлияет. Несмотря на то, что двигатель с высоким TWR будет более технологичным, чем с низким, это скорее мера технической простоты и ненапряженности двигателя. Например, по параметру тяговооруженности двигатель F-1 (94) превосходит РД-180 (78), но по удельному импульсу и давлению в камере сгорания F-1 будет заметно уступать. И возносить тяговооруженность на пьедестал как самую важную для ракетного двигателя характеристику, по меньшей мере наивно.

Цена

Этот параметр во многом связан с доступностью. Если вы делаете двигатель сами, то себестоимость вполне можно подсчитать. Если же покупаете, то этот параметр будет указан явно. К сожалению, по этому параметру не построить красивую таблицу, потому что себестоимость известна только производителям, а стоимость продажи двигателя тоже публикуется далеко не всегда. Также на цену влияет время, если в 2009 году РД-180 оценивался в $9 млн, то сейчас его оценивают в $11-15 млн.

Вывод

Как вы уже, наверное, догадались, введение было написано несколько провокационно (простите). На самом деле, у ракетных двигателей нет одного параметра, по которому их можно выстроить и четко сказать, какой самый лучший. Если же пытаться вывести формулу лучшего двигателя, то получится примерно следующее:

Самый лучший ракетный двигатель - это такой двигатель, который вы можете произвести/купить, при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько(удельный импульс, давление в камере сгорания), что его цена не станет неподъемной для вас.

Скучно? Зато ближе всего к истине.

И, в заключение, небольшой хит-парад двигателей, которые лично я считаю лучшими:


Семейство РД-170/180/190. Если вы из России или можете купить российские двигатели и вам нужны мощные двигатели на первую ступень, то отличным вариантом будет семейство РД-170/180/190. Эффективные, с высокими характеристиками и отличной статистикой надежности, эти двигатели находятся на острие технологического прогресса.


Be-3 и RocketMotorTwo. Двигатели частных компаний, занимающихся суборбитальным туризмом, будут в космосе всего несколько минут, но это не мешает восхищаться красотой использованных технических решений. Водородный двигатель BE-3, перезапускаемый и дросселируемый в широком диапазоне, с тягой до 50 тонн и оригинальной схемой с открытым фазовым переходом, разработанный сравнительно небольшой командой - это круто. Что же касается RocketMotorTwo, то при всем скептицизме по отношению к Брэнсону и SpaceShipTwo, я не могу не восхищаться красотой и простотой схемы гибридного двигателя с твердым топливом и газообразным окислителем.

F-1 и J-2

В 1960-х это были самые мощные двигатели в своих классах. Да и нельзя не любить двигатели, подарившие нам такую красоту:

РД-107/108. Парадоксально? Невысокие параметры? Всего 90 тонн тяги? 60 атмосфер в камере? Привод турбонасоса от перекиси водорода, что устарело лет на 70? Это все неважно, если двигатель имеет высочайшую надежность, а по стоимости приближается к "большому глупому носителю". Да, конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но эти двигатели будут жить еще лет десять минимум, и, похоже, поставят рекорд по долголетию. Не получится найти более успешный двигатель с более славной историей.

Использованные источники

• Материал во многом базируется на вот этой сводной таблице из английской вики, там стараются на каждую цифру дать ссылку и держать материал актуальным.


• Полная картинка КДПВ с копирайтами, которые пришлось отрезать при кадрировании - тут.

Похожие материалы по тегу "незаметные сложности".

Comments

[alll]

Всё это безусловно очень красиво и впечатляюще (кстати, спасибо за подборку материала), но сравнивать карьерные самосвалы с гоночными автомобилями и междугородними автобусами как-то не по-инженерному, евпочя. :) Хотя на тиви-каналах для школоты вроде бы довольно популярная тема.

[dlazerka.livejournal.com]

Ионные двигатели в космосе редко используют не потому что тяжело получить для них высокое напряжение, а из-за эффекта Оберта. Короткий мощный импульс от химических двигателей часто получается выгоднее, чем долгий импульс от высокоэффективных ионных. Для интуитивного понимания рекомендую поиграть в Kerbal Space Program :)

Забыли самый главный параметр: популярность :).

[f-l-o-e.livejournal.com]

Ракетные двигатели - одна из вершин технического прогресса.
__________
ЩИТО!?

[zinaida111.livejournal.com]

>твердотопливные ускорители сложно назвать символом технического прогресса

вот только Роиссе до сих пор так и не удалось даже близко приблизится к характеристикам амерских ТРД.

поэтому у Роисси боеголовки на рокетах в два раза легчей чем у проклятых пиндосов.

[pratrader.livejournal.com]

Самый годный параметр-это TWR с учетом веса топлива.
А в целом правильно не лучшестью двигателя меряться,а стоимостью запуска килограмма полезной массы помноженной на вероятность успешного запуска всей системой,которая кроме двигателя включает в себя степень раздолбайства.
Толку от хороших двигателей,если спутники в океан запускаются.

[a-ehrlich.livejournal.com]

Очень интересно и познавательно.

Но всё же не "с двухсот тремя атмосферами",
а "с двумястами тремя".

[kincajou.livejournal.com]

в комменты призываются благодарные знатоки того, как американцы не летали на Луну.

[8unknown8.livejournal.com]

Спасибо за отличный обзор!)

[svetatim63.livejournal.com]

Школота, самый важный показатель: М х V в секунду. Масса помноженная на скорость истечения в секунду Мне так казыцца

[rogub36.livejournal.com]

Как то пришлось проектировать охранный периметр КБХА. Видел испытательный стенд, где проверяют готовые двигатели. Впечатлил один момент. Во время наружной покраски стенда, рабочие забыли убрать ведра от краски. Так вот, после испытаний, нашел в лесу одно из сплющенных ведер. Улетело к стати не далеко, видимо вверх.

[isinda-bubuev.livejournal.com]

чет не фтыкаю в балоне ножниц коими на стройке, в гавнище, арматуру чикают - 200-атмсфер,
а в космических камерах академики ток до 260-ти догнались:((

[lazy-flyer.livejournal.com]

Сейчас в сообществе не важно содержание записи. Вернее важно, но не доставляет. :)))
За то инженеры в комментариях - это да, это апофеоз и вершина развития...

[cat-miaow.livejournal.com]

А как насчёт "невозможного" ЭМ двигателя? Его даже в НАСА изучают уже пару лет, и признают что он таки работает, хотя непонятно как. Всё пытаются найти ошибку в методике измерений, но пока не находят: www.sciencealert.com/the-em-drive-still-producing-mysterious-thrust-after-another-round-of-nasa-tests

[svetatim63.livejournal.com]

Тяга равна произведению давления в камере сгорания на площадь критического сичения Так мне видицца

[vitus57.livejournal.com]

Автор разместил не очень удачное фото РД 180 и особенно комент к нему. Во-первых, любой РД следует рассматривать как произведение конструкторской и технологической мысли страны -производителя, как полотно хорошей картины-вплоть до престижности "музея", где оно размещено. А в данном случае фото напоминает часть тела красивой женщины в анатомическом музее.В целях улучшения и дополнения http://cont.ws/post/92405
Во-вторых, шпильки-гайки в конструкции РД являются, как правило, следствием требований технологов-сборщиков и снижают эффективность двигателя. В идеале все сборочные детали лучше склеивать( конечно с поправкой на коэфиц. моей компетенции выпускника МАТИ 1979г)

[svetatim63.livejournal.com]

Антирисуюсь: почему пламя ракет не равномерное а имеет пучности Ась?

[lx-photos.livejournal.com]

спасибо, интересно

[maxef5150.livejournal.com]

Отличная статья, каменты тоже зачот.))

[cn-mangetsu.livejournal.com]

А что за дополнительное сопло на фотографиях Be-3 и Merlin?

[Виталий (from livejournal.com)]

Порадовали рассуждения - кто сильнее слон или кит.
На самом деле одинакового технически совершенные ВРД, ЖРД, РДТТ и т.д. примерно одинакового сложны, просто везде свои проблемы.

[military-museum.livejournal.com]

Ну хороший же пост!

[22sobaki.livejournal.com]

А мне понравилось - доходчиво и по существу.

ТОП: 18:42 (московское)

[magict30p.livejournal.com]

Вы попали в Т30P (http://www.t30p.ru) самых обсуждаемых тем в блогосфере.
Это Ваш 2-й ТОПовый пост в этом году.
Посмотреть статистику автора можно в карточке топблогера (http://rating.t30p.ru/?engineering_ru.livejournal.com&p=tops).

[alexasha-ku.livejournal.com]

Пасиб! "Вкусный" материалище!

[left-march.livejournal.com]

Википедия против:
"Двигатель НК-33 имеет чрезвычайно высокую надежность — 999,4. «Николай Дмитриевич Кузнецов в свое время решил это доказать, были проведены длительные испытания до отказа. НК-33 отработал без съема со стенда 16 пусков, наработал 15 тысяч секунд»"

а ваши аргументы про ненадёжность НК-33 кроме того, что один раз бабахнуло хрен знает почему?