Незаметный выдающийся прорыв

На простого обывателя какой-то там непонятный детонационный двигатель не окажет такого внешнего эффекта, как ракета Маска, красиво садящаяся на лапки. Но для развития космонавтики влияние этого события гораздо важнее. Над созданием детонационного ракетного двигателя работали многочисленные коллективы разных стран. Но, до настоящего времени, только российским специалистам удалось добиться устойчивой работы подобного устройства.

На дворе осень 1942 года. Немцы прорвались к Волге и Кавказу, стоят у стен Ленинграда и в полутора сотнях километров от Москвы. Но тут один из корпусов Красной Армии, прокравшись тайными тропами через леса Белоруссии и Польши, вдруг захватывает Берлин и берет в плен Гитлера. И об этом событии – только коротенькая фраза в сводке от Совинформбюро, да пара заметок в не самых главных газетах. Абсурд? Разумеется. Но именно такой абсурд наблюдается сейчас у нас в стране.

Ситуация в российской космической отрасли – это начало осени 1942 года. Неудачи почти на всех фронтах: ракеты падают, летят не в ту сторону, количество пусков постоянно сокращается. И вот на этом фоне новость: российские специалисты из НПО «Энергомаш» в кооперации с другими исследовательскими центрами отрапортовали о завершении испытаний детонационного ракетного двигателя. Этот успех примерно того же масштаба, что и гипотетическое пленение Гитлера осенью 1942 года. Но в российских СМИ – несколько коротких репортажей. Да, в этих репортажах прозвучало слово «прорыв». Но из текста совершенно непонятно – в чем же именно прорыв, а в устах наших чиновников сообщение об успехе больше смахивает на неуклюжий пропагандистский выпад в ответ на очередное достижение Илона Маска. И даже пространное интервью Главного конструктора «Энергомаша» корреспонденту «Российской газеты» совершенно не проливает свет на данный вопрос. То есть, нашему простому налогоплательщику совершенно непонятно – чем столько лет занимались «эти яйцеголовые» на его кровные деньги. На которые он мог бы купить себе несколько лишних килограммов мяса.

Очень обидно за наших специалистов, готовивших этот успех в течение долгих лет. Поэтому постараюсь восполнить пробел, на пальцах объяснив, почему создание детонационного двигателя сотрудниками российской космической отрасли без преувеличений можно назвать настоящим прорывом. Должен сразу предупредить, что пальцев у меня всего двадцать, поэтому тем, кто в школе по физике еле-еле вытягивал на тройку, я бы посоветовал не терять время зря. Также специалистов в области космического двигателестроения прошу меня заранее извинить за уж слишком упрощенное изложение. Статья предназначена не вам, а широкому кругу читателей.

Как всем, надеюсь, известно, в жидкостном ракетном двигателе горючее и окислитель, смешиваясь, вступают между собой в химическую реакцию горения. В результате реакции получаются раскаленные газы. Для создания реактивной силы газ из камеры сгорания выпускают через сопло. При этом тепловая энергия молекул газа переходит в кинетическую. Термодинамический кпд данного процесса зависит от давления. Поэтому для повышения эффективности двигателя конструкторы постоянно пытаются увеличить давление в камере сгорания. К примеру, если у двигателя ракеты-носителя «Восток» РД-107 этот показатель был около 60 атмосфер, то у РД-170, применявшегося на ракете «Энергия» - уже более 250 атмосфер.

Казалось бы, можно и дальше увеличивать эффективность, повышая давление, но не тут-то было. И дело даже не в пределах прочности конструкции. Дело в том, что двигатель современной космической ракеты очень прожорлив. Например, тот же РД-170 в процессе работы потребляет приблизительно 2400 кг керосина и жидкого кислорода каждую секунду. И это колоссальное количество жидкости надо каким-то образом накачать в камеру сгорания под огромным давлением.

Эту функцию выполняет устройство под названием турбонасосный агрегат (ТНА), который можно назвать сердцем двигателя. Принцип его действия довольно прост и напоминает работу турбокомпрессора автомобиля, только вместо атмосферного воздуха он перекачивает горючее и окислитель. Сжатый газ, отбираемый из камеры сгорания или отдельного газогенератора, вращает турбину, на валу которой закреплена крыльчатка насоса, создающая поток жидкости. Но за этим, вроде бы, простым принципом кроется очень сложный механизм, работающий в крайне экстремальных условиях.

Если бы Вам кто-то предложил впихнуть силовую установку авианосца в корпус стиральной машины, что бы Вы ответили такому «умнику»? Наверное, покрутили бы пальцем у виска. В лучшем случае, сказали бы, что это фантастика. Так вот, эта фантастика успешно летает уже десятки лет. К примеру, мощность ТНА упомянутого РД-170 достигает 190 тыс. киловатт при массе в пару сотен килограммов и габаритах стиральной машины. Его узлы работают на пределе прочности известных науке материалов. Соответственно, и доля в стоимости всего двигателя у ТНА обычно составляет от 60 до 80%.

Турбонасосные агрегаты современных ракетных двигателей – самый верх развития науки и технологии. Двигатель РД-170 первый раз полетел более тридцати лет назад, и к его уровню до сих пор никто в мире не смог приблизиться. Не случайно американцы до сих пор покупают у нас РД-180, фактически, «распиленный» пополам РД-170 с тем же ТНА. Возможно, при очень серьезных вложениях американцы смогли бы его повторить. Может, даже улучшить характеристики на 2-3%. Но не более. То, что дальше – уже за пределами современной науки.

Так что же – ракетостроение уперлось в потолок еще тридцать лет назад? Не совсем. Ещё в конце тридцатых годов прошлого века в головах ученых некоторых стран, в том числе, из СССР, возникла идея организовать процесс в камере сгорания не в виде непрерывного горения, а в виде ударной волны. Главным аргументом было то, что на фронте такой волны давление может повышаться до нескольких сотен атмосфер, что должно было бы очень сильно увеличить эффективность. Но самое интересное, что за этим фронтом следует область разрежения, в которую очень удобно впрыскивать топливо и окислитель – ведь для этого насосу не нужно будет создавать высокое давление. Частично данный принцип реализовал сумрачный тевтонский гений в своей известной ракете «Фау-1». Однако применяемый там режим горения, хотя и был пульсирующим, но детонационным его можно было назвать с большой натяжкой. Да и окислителем служил обычный воздух.

Несмотря на то, что над созданием детонационного ракетного двигателя с сороковых годов прошлого века работали многочисленные коллективы разных стран, реализация принципа в металле оказалась крайне сложной. Поэтому до настоящего времени только российским специалистам удалось добиться устойчивой работы подобного устройства. От метода пульсаций отказались еще в пятидесятые годы – уж слишком вредно влияли эти самые пульсации на всю конструкцию. Был разработан другой принцип. Согласно ему камера сгорания представляла собой кольцо, внутри которого непрерывно бежала ударная волна. В ходе работы над детонационным двигателем нашим исследователям пришлось решить огромное количество задач, одно перечисление которых заняло бы несколько страниц.

Но, так или иначе, опытный образец полноразмерного детонационного двигателя тягой 2 тонны успешно отработал весь цикл испытаний. Кстати, среднее давление в его камере сгорания составило всего 40 атмосфер, но при этом скорость истечения газов из сопла соответствовала эффективному давлению в несколько сотен атмосфер. Однако тут следует учесть, что топливо и окислитель впрыскивались в камеру не при среднем значении давления, а в момент, когда через форсунки проходила фаза разряжения, следующая за фронтом ударной волны. Соответственно, давление там было намного ниже, чем среднее. А ведь мощность насоса при одном и том же объеме перекачиваемой жидкости имеет нелинейную зависимость от давления. То есть, при уменьшении давления, скажем, в пять раз потребляемая мощность может уменьшиться и в двадцать пять раз.

Теперь давайте определим главное: что же все-таки означает появление детонационного двигателя для ракетостроения?

Во-первых, из-за повышения термодинамического кпд и уменьшения мощности, отбираемой для работы ТНА, общая эффективность двигателя возрастёт на 20-25%. Много это или мало? Давайте прикинем. Для этого в формулу Циолковского подставим значение удельного импульса (главного показателя эффективности) на 25% выше средних реальных величин нынешних ракет. И при одной и той же полезной нагрузке мы получим стартовую массу ракеты меньше почти в два раза. Но это еще не всё. Самая дорогая часть двигателя, да и всей ракеты, турбонасосный агрегат, будет в несколько раз легче, проще и дешевле. А если учесть, что при той же полезной нагрузке и требуемая мощность двигателей снизится в два раза, то получится, что стоимость вывода на орбиту килограмма груза упадет раза в четыре, если не больше. Разумеется, на простого обывателя какой-то там непонятный детонационный двигатель не окажет такого внешнего эффекта, как ракета Маска, красиво садящаяся на лапки. Но для развития космонавтики влияние этого события гораздо важнее.

Ну, вроде, всё, что хотел рассказать. Надеюсь, объяснил доступно. Так прорыв это, или нет? Судите сами. Так что, предлагаю порадоваться за выдающуюся победу наших ученых и конструкторов.