Сергеич (fin_factory) wrote,
Сергеич
fin_factory

Category:

Кто на самом деле первым применил метан на ракетных двигателях

Не так давно я имел сомнительное удовольствие вступить в дискуссию относительно приоритета в развитии ракетных двигателей на метане. По результатам этой дискуссии мой оппонент superzveruga накатал внушительного размера пост, в котором он убедительно объясняет, кто там на самом деле кого вдохновлял в ходе развития этой многообещающей технологии. Степень его убедительности очень хорошо описывается одной цитатой из Гашека, которую я часто привожу:

При слове "земляк" фельдкурат бросил на генерала страдальческий взгляд. Он уже несколько раз опровергал оскорбительное предположение, будто он чех, и неоднократно объяснял, что в их моравский приход входят два села: чешское и немецкое – и что ему часто приходится одну неделю говорить проповеди для чехов, а другую - для немцев, но так как в чешском селе нет чешской школы, а только немецкая, то он должен преподавать закон божий в обоих селах по-немецки, и, следовательно, он никоим образом не является чехом. Однажды это убедительное доказательство послужило сидевшему за столом майору предлогом для замечания, что этот фельдкурат из Моравии, собственно говоря, просто мелочная лавочка.

Казалось бы, ну что тут вообще можно сказать? Какая может быть дискуссия о приоритете, если американский двигатель на метане уже летает, а у российского двигателя на метане только «проведены испытания отдельных элементов агрегатов — газогенератора, смесительной головки»?

Дело в том, что если речь идёт о российских двигателях, то для установления приоритета знать конечный результат абсолютно недостаточно. Нужно ещё учесть массу тонких нюансов. Например, даже если американский двигатель полетел раньше, нужно обязательно выяснить, кто был первым, кому в голову пришла идея такого двигателя. Желательно также не забыть о роли Циолковского, Кибальчича, Цандера, Ладыгина и прочих первопроходцев российской космонавтики. Если же вдруг выяснится, что идея пришла сначала в голову к американцам, то следует помнить, что пока кто-то обсуждает идеи, другие в это время делают дело. В случае же если уникальная российская разработка длится уже двадцать лет и до сих пор находится на стадии демонстратора, нужно учитывать, что деньги в отрасль стали поступать четыре года назад буквально только что.

С учётом всего вышесказанного, приоритет американцев в области метановых двигателей уже не выглядит таким уж однозначным. Даже напротив, закрадываются подозрения, что SpaceX в своей работе всего лишь подражала «Энергомашу» и Конструкторскому Бюро Химавтоматики. Проще говоря, если бы не русские, то никакого «Раптора» бы и не было, это же совершенно ясно... или нет?

Если говорить серьёзно, то, конечно, ни «Энергомаш», ни КБХА не были первыми, кто осознал перспективность метана для многоразовых космических систем. Можно, например, вспомнить, что метан был выбран в качестве топлива для многоразового проекта HL-42 времён середины 90-х:



В первый раз метан, похоже, использовали вообще немцы. Сам Герман Оберт рассматривал метан в качестве топлива, но быстро оставил эту затею, поскольку преимуществ метан давал не много, а вот возни c ним было не в пример больше, чем, например, с бензином. Однако, другой немецкий сумрачный гений ракетный первопроходец – Иоганн Винклер – подхватил идею и построил-таки двигатель, работающий на метане и жидком кислороде. Запуск ракеты HW I, оснащённой этим двигателем, стал первым успешным запуском ракеты с ЖРД в Европе. Тем не менее, ракетная техника, как мы знаем, пошла по другому пути. Вместо метана популярность обрели керосин, спирт, гидразин и – позднее – водород. На протяжении последующих тридцати лет о метане никто особенно и не вспоминал по очень простой причине: этот неуловимый Джо оказался нахер никому не нужен. Прирост удельного импульса от использования метана по сравнению с керосином был всего около 10 секунд и не оправдывал возни с криогенной инфраструктурой, а такое преимущество метана, как сгорание без образования сажи, не было востребовано в одноразовых ракетах.

Вновь об использовании метана всерьёз задумались в середине 1960-х, когда нужно было решать, куда двигаться дальше после Луны. Удивительно, но тогда ни у кого не возникало сомнений, что экспедиция на Марс в недалёком будущем – дело решённое, что к концу века всю Солнечную систему будут бороздить флотилии исследовательских кораблей и танкеров снабжения. Понятно, что для массового освоения системы потребовались бы совсем другие двигательные установки, ядерные или ионные, но до того, как они появились бы в наличии, неплохо было бы иметь двигатель на существующих технологиях, на котором бы можно было с комфортом слетать, например, на Марс и вернуться обратно. Для подобных экспедиций нужно было топливо, подходящее для долговременного хранения в условиях космоса. Водород, скажем, – с его температурой кипения и способностью просачиваться во всё вокруг – подходил не очень. Гораздо удобнее было бы, если бы точки кипения окислителя и горючего были бы более-менее близки. В этой связи американские инженеры всё больше присматривались к паре метан – фтор. Температура кипения метана – минус 162 градуса, а температура кипения, например, дифторида кислорода – одного из самых многообещающих окислителей на основе фтора – минус 145 градусов. При такой разнице окислитель и горючее вполне можно было бы поместить под общую теплоизоляцию, что упрощало конструкцию. Ещё одним преимуществом метана является то, что он обладает высокой удельной теплоёмкостью и сравнительно низким критическим давлением, в связи с чем он является отличным вариантом для двигателя, работающещего по расширенному циклу, то есть, когда камера сгорания окружена охлаждающей рубашкой, через которую прокачивается топливо, которое затем испаряется и приводит в действие турбонасосы. У Pratt & Whitney как раз завалялось несколько неиспользованных водородных двигателей RL10 самой первой модификации (RL10A-1), работавших как раз по такому циклу, и у NASA возник соблазн проверить, получится ли быстренько и малой кровью перевести их на метан. В производстве на тот момент уже находилась модернизированная версия RL10A-3, так что всё равно нужно было придумывать, что делать с неликвидными запасами.

Приципиальная схема двигателя RL-10


Общий вид двигателя RL-10


Работы были организованы в два этапа. На первом этапе (контракт NASw-754) кислород был заменён на фтор. На втором этапе (контракт NAS3-7950) водород был заменён на метан, а в качестве окислителя была использована смесь фтора и кислорода (Flox) в соотношении 82.6% фтора и 17.4% кислорода. Характеристики двигателя на каждой паре приведены в таблице ниже:



Видно, что при переходе на метан характеристики по сравенению с водородом ухудшаются, однако, это было более чем приемлемой платой, учитывая все неудобства водорода. Одним из главных требований контракта было то, что изменения, вносимые в конструкцию двигателя, должны быть минимальными. Проведя предварительные расчёты, инженеры Pratt & Whitney сделали вывод, что это вполне возможно. В ходе тестов возникли, правда, непредвиденные трудности, которые были успешно решены.

Ещё в ходе первого этапа выяснилось, что для фтора требуется модифицировать завихрители в форсунках окислителя. В модификации RL10A-1 этих завихрителей вообще не было, но потом в ходе модернизации их добавили. В ходе тестов обнаружилось однако, что завихрители, успешно работавшие в кислородной среде, решительно не подходят для фтора, так что их пришлось модифицировать.

Инжектор двигателя RL-10 – вид снизу


Инжектор двигателя RL-10 – вид сверху


Инжектор двигателя RL-10 в разрезе. Внизу показаны три типа форсунок: без завихрителя, с завихрителем для фтора, с завихрителем для кислорода:


Инжектор двигателя RL-10 в работе


Следующей трудностью стала нестабильность потока жидкого метана в рубашке охлаждения. Сечение охлаждающих трубок было выбрано в расчёте на водород, и для метана оно оказалось слишком большим. Это проявилось в том, что скорость потока оказалась недостаточна для эффективного теплосъёма. Идеальным вариантом было, по видимому, изменить сечение трубок, но это была бы уже чересчур существенная модификация, которой требовалось избегать. Чтобы понимать масштаб проблемы, нужно помнить, что трубки эти следовало изготавливать с прецизионной точностью, чтобы обеспечить их равномерное прилегание друг к другу.



На видео ниже нагдядно показано, как эти трубки устанавливали:



Перепроектировать трубки означало фактически открыть ещё одну производственную линию, что абсолютно не входило в намерения NASA. Инженеры Pratt & Whitney сначала решили ограничиться следующим. Во-первых, в районе впускного коллектора внутри трубок были установлены продольные гидродинамические гребни, которые рассекали поток метана на две части. С одной стороны эти гребни были приварены к трубкам, а с другой стороны был оставлен просвет для выравнивания давления между половинками:



Во-вторых, в районе выпускного коллектора в трубки были установлены медные вставки квадратного сечения, изогнутые наподобие сверла.



Этих мер оказалось недостаточно, и в ходе одного из тестов (третьего по счёту) была повреждена камера сгорания. После этого в охлаждающие трубки со стороны возвратного коллектора были введены тонкие стержни из нержавейки длиной 26 дюймов и диаметром 0.187 дюйма, которые перекрыли часть внутреннего просвета. В результате, наконец, поток охлаждающей жидкости ускорился и стабилизировался, что обеспечило нормальный теплоотвод.

9045A09E-215F-43CB-ABA0-2F793F4296FB.png

Всего было проведено девять огневых тестов сборки на фтор-метане. В третьем из них, как уже говорилось, была повреждена камера сгорания, после чего были модифицированы охлаждающие трубки путём установки стержней из нержавейки. После модернизации тесты успешно продолжились. Суммарная продолжительность огневых тестов составила 120 секунд, причём в течение 65 секунд из них давление в камере сгорания стабильно поддерживалось на уровне 200 psi (17 атмосфер). После тестов двигатель находился в хорошем состоянии. В своём отчёте, опубликованном в 1969 году, инженеры Pratt & Whitney подчёркивали, что нет никаких принципиальных технологических ограничений на пути к достижению расчётных 250 psi, просто в ходе четвёртого теста у них произошла частичная поломка турбины, ремонтировать двигатель они не стали, учитывая ограниченность ресурсов, выделенных на проект, и дальше работали с тем, что есть. Подробный отчёт о проделанной работе можно посмотреть здесь.

Подводя итог, можно сказать, что ещё в 1969 году американцы испытали многоразовый метановый двигатель с возможностью многократного включения. Как мы знаем, эпохи активных межпланетных перелётов так и не настало по причине радикального сворачивания финансирования после программы «Аполлон», так что работы по метановому RL-10 оказались невостребованными. Однако, метановая тематика никогда не уходила с радара NASA. HL-42 я уже упоминал, но можно вспомнить, что ещё «Орион» изначально должен был иметь метановые двигатели, или ещё можно вспомнить метановые двигатели от Orbitec. В общем, как видим, вдохновляться работами КБХА Маску было совсем не обязательно.
Tags: #rigimesh
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • День семьи на заводе в Торонто в октябре 2019

    У нас на заводе каждый год в начале октября в один из выходных устраивают День семьи – день открытых дверей, когда каждый может пригласить на завод…

  • Рождение нового поколения региональных самолётов в начале 1980-х

    Трудно найти праздник более радостный для авиапромышленника, чем выкатка нового самолёта. Это ведь первая возможность с гордостью показать широкой…

  • Двуликий A310

    Капитан танкера нанимает бригаду цыган для покраски своего судна. Всё как положено — подписали договор, скрепили подписями. Бригада приступила к…

  • Следы испарения солярки

    Раз уж я рассказал историю из жизни канадского рабочего класса, для контраста теперь стоит рассказать какую-нибудь историю из жизни их российских…

  • Немного о канадских профсоюзах

    Для полного понимания процессов, происходящих в канадской аэрокосмической промышленности никак нельзя обойтись без упоминания роли профсоюзов.…

  • Бегущий по лезвию 2020: Сан-Франциско

    Я сначала подумал, что это спецэффект, что кто-то обработал видео. Потом дошло, что это дым от лесных пожаров.

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 110 comments