Двигатель RS-25

Двигатель RS-25 — это жидкостный ракетный двигатель закрытого цикла, работающий на компонентах топлива «жидкий водород — жидкий кислород», разработанный и производившийся компанией Rocketdyne (впоследствии подразделение Pratt & Whitney Rocketdyne, ныне Aerojet Rocketdyne). RS-25 являлся основным маршевым двигателем многоразовой транспортной космической системы «Спейс шаттл» (Space Shuttle) и в модернизированной версии используется в качестве двигателя первой ступени сверхтяжёлой ракеты-носителя Space Launch System (SLS). Двигатель известен своей высокой эффективностью (удельный импульс в вакууме около 452,3 секунды), многоразовостью (до 55 запусков на один экземпляр) и сложной конструкцией, основанной на схеме с дожиганием генераторного газа.

История создания

Предпосылки и начало разработки (1960-е — 1970-е)

В начале 1970-х годов Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) приступило к разработке программы «Спейс шаттл» — первого в мире многоразового космического корабля. Требовался двигатель, который сочетал бы высокую тягу (около 2,1 МН на уровне моря), возможность многократного использования, способность работать в широком диапазоне высот и обладать рекордной экономичностью. В 1971 году NASA объявило конкурс на создание такого двигателя. Победителем стала компания Rocketdyne (в то время подразделение Rockwell International), предложившая проект под обозначением RS-25 (внутреннее обозначение Rocketdyne — SSME — Space Shuttle Main Engine).

Разработка и испытания (1972—1981)

Разработка RS-25 велась с 1972 года. Основными вызовами стали: создание турбонасосных агрегатов, способных перекачивать криогенный водород при температуре −253 °C и кислород при −183 °C, обеспечение герметичности при высоких давлениях (до 300 атмосфер в камере сгорания) и достижение ресурса, достаточного для многократного использования. В 1978 году начались огневые стендовые испытания. В ходе доводки было выявлено несколько серьёзных проблем, включая разрушение турбинных лопаток и трещины в камере сгорания, которые потребовали конструктивных изменений. Первый полёт «Спейс шаттла» (миссия STS-1, 12 апреля 1981 года) состоялся с двигателями RS-25, которые, однако, ещё не прошли полную сертификацию на многоразовость.

Эксплуатация в программе «Спейс шаттл» (1981—2011)

За 30 лет эксплуатации в программе «Спейс шаттл» было произведено 46 полётов (с учётом лётных испытаний — 135 миссий, в каждой из которых использовалось три двигателя RS-25). Двигатели прошли несколько модернизаций: блоков I, II и III. Основные изменения касались повышения надёжности турбонасосов, увеличения тяги (с 1,67 МН до 1,86 МН на уровне моря в поздних версиях) и улучшения системы управления. После катастрофы «Колумбии» в 2003 году в конструкцию были внесены дополнительные изменения для повышения безопасности, в частности, усиление теплозащиты и модернизация системы контроля.

Постшаттловский период и программа SLS (2011 — настоящее время)

После завершения программы «Спейс шаттл» в 2011 году оставшиеся 16 двигателей RS-25 (из 46 произведённых) были законсервированы. В 2012 году NASA приняло решение использовать их в качестве двигателей первой ступени новой сверхтяжёлой ракеты-носителя Space Launch System (SLS). Для этого двигатели были модернизированы: установлены новая система управления, адаптированная к однократному использованию (на SLS двигатели не возвращаются), и изменена система запуска. Первый полёт SLS (миссия Artemis I, 16 ноября 2022 года) прошёл с четырьмя двигателями RS-25D, оставшимися от шаттлов. В настоящее время компания Aerojet Rocketdyne (с 2023 года — подразделение L3Harris) производит новую партию двигателей RS-25E, которые будут использоваться в последующих миссиях Artemis.

Конструкция

Общая схема

RS-25 выполнен по схеме закрытого цикла с дожиганием генераторного газа. Это означает, что топливо (водород и кислород) сначала подаётся в газогенератор, где частично сгорает, образуя горячий газ, который вращает турбину турбонасосного агрегата. Затем отработанный газ (содержащий несгоревшее топливо) подаётся в камеру сгорания, где дожигается с основным потоком окислителя. Такая схема обеспечивает максимально возможный удельный импульс (эффективность), но требует чрезвычайно высоких давлений и температур.

Основные компоненты

• Камера сгорания: изготовлена из медного сплава (NARloy-Z) с внутренним канальным охлаждением жидким водородом. Давление в камере достигает 300 атмосфер (30 МПа), температура — около 3300 °C.
• Турбонасосные агрегаты (ТНА): два основных ТНА — для подачи жидкого водорода (HPFTP — High Pressure Fuel Turbopump) и жидкого кислорода (HPOTP — High Pressure Oxidizer Turbopump). Водородный ТНА вращается со скоростью до 35 000 об/мин, создавая давление до 450 атмосфер. Кислородный ТНА — до 21 000 об/мин, давление до 300 атмосфер.
• Газогенератор: в нём происходит частичное сгорание водорода и кислорода для получения рабочего тела для турбин.
• Система управления вектором тяги: двигатель может отклоняться по двум осям на угол до ±10,5° для управления полётом.
• Сопло: изготовлено из жаропрочного сплава (Inconel 718) с трубчатым охлаждением жидким водородом. Диаметр выходного сечения — около 2,4 метра.

Система запуска

Запуск RS-25 — сложный многоступенчатый процесс, занимающий около 6 секунд. Сначала открываются клапаны подачи жидкого водорода и кислорода, затем включается система зажигания (используется искровой запал от пиротехнического заряда). После воспламенения в камере сгорания начинается подача топлива из турбонасосов, которые раскручиваются до рабочих оборотов. Контроль параметров запуска осуществляется бортовым компьютером.

Характеристики

Ниже приведены основные характеристики двигателя RS-25 в версии, использовавшейся на «Спейс шаттле» (блок III) и на SLS (RS-25D/E).

Применение

Программа «Спейс шаттл»

На каждом шаттле («Колумбия», «Челленджер», «Дискавери», «Атлантис», «Индевор») устанавливалось три двигателя RS-25. Они работали от старта до выключения на орбите, обеспечивая разгон корабля. После приземления двигатели демонтировались, проходили проверку и повторно устанавливались на следующий полёт. Всего за 30 лет эксплуатации двигатели RS-25 наработали более 1 миллиона секунд суммарного времени работы.

Space Launch System (SLS)

На первой ступени ракеты-носителя SLS (Block 1) установлено четыре двигателя RS-25. В отличие от шаттла, они работают только в течение первых 8 минут полёта, после чего ступень сбрасывается и не возвращается. Для миссии Artemis I (2022) использовались четыре двигателя RS-25D, ранее летавшие на шаттлах. Для Artemis II и последующих миссий будут применяться новые RS-25E, произведённые компанией Aerojet Rocketdyne.

Критика и проблемы

Сложность и стоимость

RS-25 считается одним из самых сложных и дорогих ракетных двигателей в истории. Стоимость одного двигателя в период шаттла оценивалась в 40–50 миллионов долларов (с учётом разработки — до 100 миллионов). Высокая сложность конструкции приводила к частым отказам на стендах: за время программы было зафиксировано более 20 аварийных ситуаций, в том числе два разрушения двигателя в полёте (в миссиях STS-51F и STS-93), которые, однако, не привели к катастрофе.

Проблемы с многоразовостью

Хотя двигатель проектировался на 55 полётов, на практике ресурс часто был ниже. После каждого полёта требовалась трудоёмкая проверка, замена уплотнений, ремонт турбонасосов. Полная разборка и сборка двигателя занимала несколько недель. Экономическая эффективность многоразовости оказалась ниже ожидаемой.

Катастрофы шаттлов

Хотя катастрофы «Челленджера» (1986) и «Колумбии» (2003) не были напрямую вызваны отказом двигателей RS-25, они привели к пересмотру процедур эксплуатации. После катастрофы «Колумбии» было усилено теплозащитное покрытие двигателей и улучшен контроль за состоянием сопел.

Интересные факты

• RS-25 является первым в мире ракетным двигателем, в котором применялась система цифрового управления (Digital Engine Controller), реализующая алгоритмы адаптивного регулирования тяги.
• Водородный турбонасос RS-25 развивает мощность около 70 000 лошадиных сил (52 МВт) при массе всего около 450 кг — это один из самых мощных турбонасосов в мире.
• Двигатель способен работать в диапазоне тяги от 50 % до 109 % от номинала, что позволяет точно регулировать траекторию полёта.
• В 2013 году один из двигателей RS-25 (номер 0525) был установлен на стенде и после 40 лет эксплуатации прошёл успешное испытание на полную тягу, подтвердив запас прочности конструкции.

Источники

• NASA Space Shuttle News Reference (1981)
• Rocketdyne RS-25 Technical Manual (1985)
• «Space Shuttle Main Engine: The First Ten Years» — AIAA, 1991
• «Space Launch System: RS-25 Engine Development» — NASA Marshall Space Flight Center, 2019
• «The Space Shuttle Decision: NASA’s Search for a Reusable Space Vehicle» — T. A. Heppenheimer, 1999