[Космонавтика] РД-170: НАШ ОТВЕТ ЧЕМБЕРЛЕНУ (ТОП-5 самых мощных ракетных двигателей)

В прошлой статье мы познакомились с самым началом тяжелого ракетного двигателестроения – с американским F-1 тягой в 680 тонн. В Советском Союзе, разумеется, были разработаны свои рекордсмены. Разработаны сильно позже, но зато по совокупности характеристик заметно превосходящие F-1. Однако, давайте по порядку.

РД-170: НАШ ОТВЕТ ЧЕМБЕРЛЕНУ

Чуток истории

 В СССР, разумеется, тоже отлично понимали, насколько важны действительно мощные двигатели для сверхтяжелых ракет. Собственно, именно наша космонавтика имела печальный пример попытки построить большую ракету на слишком маленьких двигателях – лунная ракета Н1, на первую ступень которой поставили аж 30 сравнительно небольших НК-15 плюс еще 8 на вторую. Именно сравнительно – тяга в 150 тонн на самом деле весьма приличная и в других обстоятельствах НК-15 и его модернизированный вариант НК-33 наверняка нашли бы свое место в жизни. Но Н1 имела стартовый вес около 2800 тонн и на ней НК-15/33 выглядели откровенными маломерками.

Попа Нижняя часть ракеты Н1

Одновременно в эти годы в другом советском КБ под руководством известного двигателиста В.П. Глушко шло конструирование двигателя гораздо более крупных размеров. Однокамерный РД-270 по расчетам должен был развивать тягу аж в 640 тонн, при этом превосходя F-1 по всем остальным параметрам. Самое главное – что РД-270 должен был иметь исключительно высокий удельный импульс, то есть сжигать существенно меньше топлива.

Глушко Валентин Петрович. При регалиях

Увы, РД-270 довести до ума не удалось. Дело не только в том, что этот двигатель работал на ядовитом самовоспламеняющемся гептиловом топливе, из-за чего он и не использовался в лунном проекте (главный конструктор лунной ракеты Королев категорически требовал использовать на Н1 безопасное для людей керосиновое топливо). Скорее следует признать, что сверхсложный РД-270 был просто нереализуем на технологиях того времени. Достаточно сказать, что впервые двигатель похожей конструкции (водородный SSME космического корабля Шаттл) полетел лишь в 1982 году и для управления процессами горения потребовал установки на ракету достаточно мощного компьютера исключительно для своих нужд. Глушко довел РД-270 до первых огневых испытаний, но в 1969-м году разработка была прекращена.

Главный герой

 Однако опыт работы над большими сложными двигателями замкнутой схемы не пропал. В 70-х годах Глушко возглавил работы над новым мощным двигателем РД-170, предназначавшемся для первой ступени сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия». Забавно, но этот двигатель был как раз керосиновым, хотя в годы покорения Луны Глушко отказывался разрабатывать такие двигатели для Королева. В остальном же Глушко себе не изменил: РД-170 должен был стать самым мощным, сложным и эффективным жидкостным ракетным двигателем в истории космонавтики. И ведь стал!

Итак, вот характерные особенности РД-170 и его модификации РД-171 (используется на ракете «Зенит», отличается от РД-170 всего лишь возможностью поворачиваться в двух плоскостях, а не в одной):

– большая тяга (740 тонн на уровне моря) – на данный момент это самый мощный ЖРД в мире;

– высокий удельный импульс;

– возможность существенного изменения уровня тяги в полете.

К этому списку, в принципе, можно еще добавить многоразовость, изначально заложенную в конструкцию, но в итоге в полетах не использованную.

Главный герой собственной персоной. Верх ногами его держат, чтобы топливо не вытекало на казенный пол

Как вы помните, большие ЖРД 60-х годов (F-1 и РД-270) делали однокамерными. РД-170 после некоторых споров было решено делать с четырьмя сравнительно небольшими камерами сгорания. Это несколько увеличивало массу двигателя, но зато сразу решало ряд проблем. Во-первых, уменьшалась проблема с устойчивостью горения, характерная для больших камер. Это, в свою очередь, позволяло без особых сложностей менять величину тяги двигателя в широких пределах. В-третьих, небольшие камеры проще сделать более прочными, а это было нужно для повышения давления внутри камеры сгорания и повышения тем самым удельного импульса и массового совершенства двигателя. Наконец, к началу разработки РД-170 был накоплен определенный опыт в разработке похожей камеры для экспериментального двигателя тягой порядка 180 тонн и на нём предполагалось окончательно довести до ума этот узел еще до начала огневых испытаний РД-170 в сборе.

Разработка

Работы над РД-170 шли долго и тяжело. Запредельные характеристики двигателя ставили перед конструкторами все новые и новые задачи, некоторые из которых казались нерешаемыми. Необходимо было разработать новые жаропрочные сплавы, существенно повысить качество производства, наконец, построить новые стенды для испытания столь мощного ракетного двигателя в частности и ракеты «Энергия» в целом.

Как обычно, ключевые проблемы стали появляться на этапе огневых испытаний нового изделия. Камера сгорания, в основном отработанная еще даже до принятия технического задания на двигатель, проблем не доставила. Зато, как и ожидалось, основными проблемными узлами оказались газогенератор и турбонасосный агрегат, которые чуть ли не каждое испытание загорались. Второй по распространенности проблемой стали сильнейшие вибрации, с которыми конструкторы столкнулись впервые в своей практике. Первые полтора десятка огневых испытаний закончились аварийной отсечкой. Приняли решение пускать двигатель на пониженной тяге в 600 тонн – и сразу же успех. Еще несколько месяцев успешных испытаний в этом режиме с постоянной доводкой двигателя. 26 мая 1982 года воодушевленные конструкторы вновь пробуют запустить двигатель на полную тягу, причем сразу в составе первой ступени ракеты «Зенит».

РД-170 не подвел. Он буквально в клочья разнес уникальный испытательный стенд, равного которого в СССР еще не строили…

Стенд огневых испытаний ЖРД с гидрогасителем НПО Энергомаш. Фиг знает что тут и зачем, но выглядит прикольно...

Авария не просто задержала работы на два года, пока восстанавливали стенд. Ряд влиятельных лиц из конкурирующих КБ поставили вопрос о принципиальной реализуемости создания такого монстра. В течении нескольких месяцев одна комиссия за другой обсуждали вопрос закрытия программы и замены РД-170 на кратно более слабый МД-185 тягой 185 тонн. Этот двигатель вряд ли доставил существенных хлопот, но если «Зенит» с ним оставался вполне вменяемой ракетой, то вот  «Энергия» становилась практически той же Н1, требуя постановки до 20 двигателей на первую ступень.

В конечном итоге пришли к компромиссному решению: разработку РД-170 продолжили, но параллельно развернули работы по МД-185. В конечном итоге этот двигатель так и не был отправлен в производство и хочется верить, что он оторвал от ресурсов нашей космической промышленности не слишком большой кусок.

Пока стенд восстанавливался, разработчики РД-170 разбирались в причинах аварии, а потом дорабатывали двигатель. Через год решились на прожиг двигателя отдельно, а в декабре 1984-го – повторное испытание его в составе ступени на восстановленном стенде. Если бы двигатель хотя бы чихнул, работы над ним скорее всего были бы прекращены. Двигатель отработал идеально. Испытания продолжались одно за другим, завершившись в 1985-м году первым полетом РН «Зенит». Сложнейшая задача по разработке самого мощного в мире ЖРД была выполнена.

И что в итоге получилось

 Дальнейшая судьба РД-170/171 довольна противоречива. Главное дело, ради которого он и создавался – тяжелая ракета-носитель «Энергия», развалилось вместе с Советским Союзом. В её составе РД-170 слетал лишь дважды во второй половине 80-х. В 90-е ракеты уже выживали в соответствии с требованиями рынка, на котором для «Энергии» работы не нашлось. Государство же поддерживать программу «Энергия-Буран» уже не могло.

Зато достойное место заняла ракет «Зенит», на первой ступени которой устанавливался один двигатель РД-171 (практически идентичный РД-170). Ракета получилась очень удачной и во многом это заслуга именно РД-171 с его высокими характеристиками. Относясь скорее к ракетам среднего класса грузоподъемности, характеристик «Зенита» хватало для вывода с платформы «Морского старта» средних спутников на геостационарную орбиту – отличный результат. К сожалению, концепция «Морского старта» оказалась малорентабельной, а сухопутный вариант загибается по причине обнуления российско-украинских отношений («Зенит» производится на украинском «Южмаше»)

Ракета "Зенит" в стартовом положении для пуска по настильной траектории. Ну ладно, шучу, шучу...

А несколько позже выяснилось, что многокамерность РД-171 открывает широкие возможности по созданию на базе этого двигателя целого семейства более слабых двигателей: двух-камерного РД-180 и однокамерных РД-191 и РД-181, которые ставились не только на наши, но и на американские и корейские ракеты-носители. С однокамерным двигателем такой номер не прошел бы – единственную камеру пришлось бы полностью менять на принципиально другую, по сути разрабатывая новый двигатель. К сожалению, каждый последующий двигатель отличался от предшественников во множестве вроде бы совпадающих деталей – шла постоянная модернизация. Так что значимой унификации не получилось, но это скорее издержки принятой в СССР и России системы содержания стабильных по мощностям КБ и предприятий, требующих постоянной загрузки новыми проектами – даже в ущерб целесообразности.

Несмотря на почти однозначное завершение истории «Зенита», продолжится история самого РД-171. Следует признать, что на данный момент это венец керосинового двигателестроения. Характеристики двигателя позволяют ему без вопросов эксплуатироваться на ракетах всей первой половины XXI века. Теперь его предлагают ставить на новую разрабатываемую ракету «Союз-5», а позже – на перспективную модульную сверхтяжелую ракету.

Светлое будущее Роскосмоса. Немножко кривоватое в картинной плоскости...

Отдельно следует подчеркнуть, что РД-171 – это многоразовый по своей концепции двигатель. Возможно, что сейчас многие его узлы и детали делаются с ресурсом, обеспечивающим лишь один полет. Однако базовые идеи, заложенные в конструкцию, именно многоразовые: например, использование в турбонасосном агрегате генераторного газа с избытком кислорода, а не керосина, благодаря чему ТНА остается чистым. Уверен, что в ближайшие десятилетия многоразовые ступени займут достойное место в ракетостроении, и здесь РД-171 и его меньшие собратья придутся как нельзя кстати.