Защо САЩ купуват руски ракетни двигатели RD-180?

В почти всеки пост за Илон Мъск със сигурност възниква въпросът: „Ако американците са толкова готини, защо тогава купуват руски ракетни двигатели?“ Ще се опитам да отговоря.

Първо, малко теория. Единственият тип двигател, който може да откъсне ракета от Земята и да ускори до необходимата скорост, е ракетен двигател с течно гориво (LRE). Да, помня за твърдото гориво, но серийно те се използват само заедно с течност.

LRE има много характеристики, но в този случай се интересуваме само от четири:

Да започнем по ред.

Видове горива LPRE използва различни видове - три основни двойки гориво и окислител се използват за търговски използвани двигатели. Това са водород-кислород, кислород-керосин и хептил-амил. Последната двойка са много опасни отрови, първите две, когато се пуснат в атмосферата, се изпаряват и не вредят на околната среда. Съответно има две възможности за гориво - керосин и водород. Водородът ви позволява да получите по-голям специфичен импулс (повече за това по-долу), но той има по-ниска плътност, което изисква увеличаване на размера на резервоара за гориво.

Двигателят е проектиран само за един вид гориво и промяната всъщност създава нов двигател. В същото време водородните двигатели практически не се използват в СССР-Русия. СССР-Русия обаче е лидер в керосиновите двигатели - например САЩ не са създали (и не планират) керосинов двигател със затворен цикъл, който е по-ефективен от двигател с течно гориво с отворен цикъл. По-трудно е обаче да се приложи затворен цикъл.

Специфичен импулс (SI) - това е характеристика на количеството движение, което двигателят е в състояние да създаде, като е консумирал единица гориво. Съответно, колкото по-висок е SI, толкова по-ефективен е двигателят, тъй като при същия разход на гориво той може да създаде повече тяга или да работи за повече време. Потребителският интерфейс също се счита за една от основните характеристики на ефективността на двигателя.

Зависи от горивото. Така че двойката кислород-водород теоретично ви позволява да получите импулс от 428 секунди във вакуум. Кислород-керосин - 335 s, хептил-амил - 318 s. Измерва се в секунди - т.е. колко секунди двигателят е в състояние да създаде тяга от 1 kgf, докато харчи 1 kg гориво. В реалния живот потребителският интерфейс ще бъде по-малък, тъй като няма перфектен двигател. Намалява импулса и отворената верига на двигателя - с него част от горивото, което задвижва помпите, се изхвърля и не участва в създаването на тяга.

Тяга на двигателя - това е силата, която двигателят може да приложи към ракетата. промени в нютони или тонови сили (tf). Повече двигател - повече тяга, всичко е просто. Също така трябва да се помни, че тягата (както и специфичният импулс) във вакуум е по-голяма, отколкото в атмосферата.

Накрая, цена. Важно е, защото двигателите се купуват и продават (виж заглавието). Абсолютната цена обаче ще бъде важна за нас и цената на двигателя по отношение на сила на тягата - в края на краищата можете да доставите дузина евтини малки двигатели, или можете да доставите един голям и скъп.

Това обаче е и най-недостъпната опция. Секунди и тонове са публично достъпни, а точните цени не. Продажната цена и цената могат да варират значително. И да се преизчисли цената на двигател, създаден в планова икономика преди половин век, в съвременни долари или рубли е напълно нереалистично.

Тук, разбира се, трябва да се вземат предвид страната на развитие, масовият характер и куп други фактори. Повече заплати за дизайнери - повече разходи за двигателя, например.

Разбрахме теорията, нека преминем към примери.

През 60-те години в САЩ е създаден най-мощният (по това време) ракетен двигател за полет до Луната - еднокамерен керосин F-1, с тяга от 690 tf на морското равнище. Но специфичният импулс е само 265 секунди. Двигателят е мощен, но не особено ефективен.

За лунната програма на СССР беше създаден NK-15 и позата въз основа на него - NK-33. Също керосин и еднокамерен, но тягата е само 151 tf на морското равнище. Но специфичният импулс е 297 секунди. Ефективността е по-висока, но по-ниската тяга изискваше инсталирането на тридесет двигателя в първия етап на H-1 (срещу пет за Saturn-V).

През 70-те години СССР създава RD-170, също керосин, но четирикамерен. На четири дюзи са инсталирани обща турбопомпа и други системи. Тяга на морското равнище - 740 tf, специфичен импулс - 309 s на морското равнище, 337 s във вакуум.

През същите седемдесетте, еднокамерен RS-25 за совалката. Тягата е 181 tf, т.е. приблизително същата като на една дюза за RD-170. Но SI е по-висока - 363 s на морското равнище, 452 s във вакуум. Причината е в друго гориво, водород.

През 90-те години по заповед на САЩ на базата на RD-170 е създадена нейната „половина“ - RD-180. Горивото остава същото, специфичният импулс практически не се променя - 337 и 311 s. Тягата е естествено наполовина - до 390 tf. Цена - "според редица експерти", от 11 до 15 милиона долара (излизат 28. 38 хиляди долара на превозно средство).

През същите 90-те, еднокамерен RS-68. Гориво - водород, тяга - 289 tf, специфичен импулс - 359 s на морското равнище, 409 s във вакуум. Цена - около 20 милиона долара (69 000 долара на превозно средство).

Накрая Merlin 1D, инсталиран на Falcon 9. Керосин, еднокамерен, отворена верига. Специфичен импулс - 282 s на морското равнище, тяга - 74 tf. Цена - Виждал съм приблизително 1,5 или 2,12 милиона (20,29 хиляди долара на превозно средство).

Сега нека се опитаме да отговорим на популярни въпроси.

Защо САЩ купуват руски двигатели?

Защото беше евтино. Не знам колко точно е получил дизайнер или работник през 90-те години в САЩ и колко в Русия, но мисля, че разликата е около порядък. Следователно, вследствие на приятелството с венците, плащането за разработването на двигател, базиран на съществуващ, се оказа по-евтино, отколкото използването на нашия собствен. Освен това, ако използвате керосин, тогава Русия има предимство - САЩ изостават в подобни двигатели.

Защо не летят на двигателите си?

Отново - защото цената. Някои изстрелвания се правят самостоятелно (вж. Delta IV), но не всички.

Защо продължават да купуват въпреки санкциите?

Защото все пак е по-евтино и по-ефективно от разработването на собствен двигател или нова ракета за съществуващите.

И Русия (минута политика) наложи ембарго върху вноса на продукти, но по някаква причина не го направи. Търговията продължава.

Но какво да кажем за Мъск и неговите прекрасни двигатели?

Вижте статистиката отново. Ефективността е по-ниска, тягата по-ниска - ще е необходима цялостна преработка на ракетата (със спад в полезния товар), за да се поставят пет Merlins вместо един RD-180.

Но какво да кажем за Мъск и неговите прекрасни ракети?

Държавните договори са нещо деликатно. И ракетата е доста млада. Затова търгът за разработване на космическия кораб и доставка на товари до МКС беше спечелен, но изстрелването на военни спътници (други изисквания за надеждност и тегло) не се получи. Но това е чисто мое мнение, може да имате и друго.

И така, какво виждаме накрая?

САЩ купуват руски ракетни двигатели, защото те са най-ефективните керосинови двигатели и най-евтините. Съединените щати обаче също имат свои собствени двигатели и се използват.