Двигатель SSME

SSME (Space Shuttle Main Engine, англ. «главный двигатель космического челнока») — это жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) многоразового использования, работавший на компонентах топлива «жидкий кислород» (окислитель) и «жидкий водород» (горючее). Разработанный и производившийся компанией Rocketdyne (США), SSME являлся основным маршевым двигателем американской системы «Спейс шаттл» (Space Shuttle). Он устанавливался в кормовой части орбитального корабля (орбитера) в количестве трёх штук и обеспечивал его выведение на низкую околоземную орбиту. SSME считается одним из самых совершенных и сложных ЖРД в истории, отличаясь рекордными показателями удельного импульса, высокой степенью расширения сопла и способностью к многократному использованию.

История создания и развития

Разработка SSME началась в начале 1970-х годов в рамках программы создания многоразовой транспортной космической системы «Спейс шаттл». Основными требованиями к двигателю были: высокая тяговооружённость, возможность многократного включения и длительной эксплуатации, а также высокая надёжность для пилотируемых полётов. В 1971 году контракт на разработку получила компания Rocketdyne (на тот момент подразделение North American Rockwell).

Первый испытательный запуск прототипа состоялся в 1975 году. Двигатель прошёл длительный цикл наземных огневых испытаний, в ходе которых выявились многочисленные проблемы, в том числе с турбонасосными агрегатами (ТНА) и камерой сгорания. Первый полёт с использованием SSME состоялся 12 апреля 1981 года — старт миссии STS-1 на корабле «Колумбия». На протяжении всей программы шаттлов (1981–2011) двигатель постоянно модернизировался. Было выпущено несколько основных модификаций:

• SSME Block I (1981–1985): базовая версия с тягой на уровне моря около 1670 кН.
• SSME Block II (1988–1995): модернизированная версия с увеличенной надёжностью турбонасосов и улучшенной камерой сгорания.
• SSME Block IIA (1995–2002): версия с новым, более прочным турбонасосом высокого давления для жидкого водорода.
• SSME Block IIC (2002–2011): финальная версия с новым, более лёгким и надёжным турбонасосом высокого давления для жидкого кислорода, а также с улучшенным соплом. Тяга была увеличена до 1860 кН на уровне моря и до 2270 кН в вакууме.

После завершения программы «Спейс шаттл» в 2011 году, оставшиеся двигатели SSME были использованы в качестве основы для разработки двигателя RS-25, который применяется в сверхтяжёлой ракете-носителе SLS (Space Launch System) для программы «Артемида». RS-25 отличается от SSME главным образом адаптацией к одноразовому использованию и работой в составе первой ступени ракеты, а не на орбитере.

Конструкция и принцип работы

SSME представляет собой ЖРД замкнутой схемы (с дожиганием генераторного газа). Это означает, что турбина, приводящая в действие топливные насосы, работает не на отработанном газе, который выбрасывается наружу, а на газе, который затем подаётся в камеру сгорания для дожигания. Такая схема позволяет достичь максимального удельного импульса.

Основные компоненты

1. Турбонасосные агрегаты (ТНА): Двигатель оснащён двумя основными ТНА — для жидкого кислорода (ТНА-О) и для жидкого водорода (ТНА-Г), а также двумя небольшими ТНА для подачи топлива в газогенераторы. ТНА-Г был самым мощным и высоконагруженным компонентом: он вращался со скоростью до 35 000 об/мин и перекачивал до 70 кг жидкого водорода в секунду при давлении до 450 атмосфер.
2. Газогенераторы (предкамеры): Два газогенератора (один для окислителя, один для горючего) сжигают небольшую часть топлива в среде с избытком одного из компонентов. Образующийся горячий газ (температура около 1000 °C) вращает турбины ТНА.
3. Камера сгорания: Основная камера, в которую подаётся жидкий кислород и жидкий водород. Температура в камере достигает 3300 °C. Для охлаждения стенок камеры используется жидкий водород, который проходит по специальным каналам (регенеративное охлаждение).
4. Сопло: Коническое сопло с большой степенью расширения (до 77,5:1 в вакууме). Оно также охлаждается жидким водородом, проходящим по трубкам. Сопло изготовлено из медного сплава и покрыто теплозащитным материалом.

Принцип работы

Топливо (жидкий водород) и окислитель (жидкий кислород) подаются из баков шаттла через магистрали низкого давления. Затем ТНА высокого давления повышают давление до нескольких сотен атмосфер. Часть топлива направляется в газогенераторы, где сгорает, вращая турбины. Выхлоп турбин (богатый окислителем или горючим газ) поступает в основную камеру сгорания, где смешивается с остальным топливом и сгорает. Образующиеся продукты сгорания выбрасываются через сопло, создавая реактивную тягу.

Характеристики и параметры

Параметры двигателя SSME (версия Block IIC):

Применение в программе «Спейс шаттл»

Три двигателя SSME устанавливались в кормовой части орбитера в виде единого силового блока. Они работали от момента старта до момента отделения внешнего топливного бака (примерно 8,5 минут полёта). Двигатели обеспечивали основную тягу для выведения орбитера на орбиту, а также могли использоваться для манёвров на орбите (коррекции орбиты) и для торможения при входе в атмосферу.

Управление тягой осуществлялось за счёт дросселирования (изменения расхода топлива) в диапазоне от 65% до 109% от номинала. Дросселирование было необходимо для снижения перегрузок на экипаж и конструкцию, а также для точного выдерживания траектории.

Каждый двигатель после полёта проходил обязательную инспекцию и техническое обслуживание. Двигатели снимались с орбитера, разбирались, проверялись на наличие дефектов, после чего собирались заново и устанавливались на следующий полёт. Ресурс двигателя позволял выдерживать до 55 полётов без капитального ремонта.

Критика и аварии

Несмотря на высокую эффективность, SSME был одним из самых дорогих и сложных в обслуживании компонентов шаттла. Стоимость одного двигателя оценивалась в десятки миллионов долларов. Высокая сложность конструкции приводила к частым отказам и авариям на испытательных стендах.

Наиболее серьёзные инциденты, связанные с SSME:

• Авария на испытаниях (1985 год): Разрушение ТНА-Г на стенде привело к пожару и значительным повреждениям. После этого были внесены изменения в конструкцию.
• Авария на старте STS-51-F (1985 год): Отказ датчика температуры в одном из ТНА-О привёл к преждевременному выключению одного из трёх двигателей на 5-й минуте полёта. Миссия была спасена за счёт включения резервного двигателя, но полёт был сокращён.
• Авария на старте STS-93 (1999 год): Из-за короткого замыкания в системе управления произошло повреждение одного из ТНА-О, что привело к утечке кислорода и снижению тяги. Миссия была выполнена, но с отклонениями от графика.

В целом, SSME считается надёжным двигателем, однако его эксплуатация была сопряжена с высокими рисками и затратами.

Наследие и развитие

После завершения программы «Спейс шаттл» технология SSME была использована для создания двигателя RS-25. RS-25 был адаптирован для работы в составе первой ступени ракеты SLS, что потребовало изменения системы подачи топлива (с внешнего бака шаттла на собственные баки SLS). Двигатель RS-25 имеет увеличенную тягу (до 2320 кН в вакууме) и, в отличие от SSME, предназначен для одноразового использования. Первый полёт SLS с RS-25 состоялся в 2022 году (миссия «Артемида-1»).

Таким образом, SSME, несмотря на свою сложность и дороговизну, остаётся эталоном жидкостного ракетного двигателя с точки зрения энергетической эффективности. Его конструктивные решения и технологии (замкнутая схема, регенеративное охлаждение, высоконапорные турбонасосы) продолжают влиять на разработку современных ЖРД, в том числе в России (например, двигатель РД-0120, использовавшийся на ракете «Энергия», также работал на водороде и имел замкнутую схему).

Источники

• Space Shuttle Main Engine: The First Twenty Years and Beyond (NASA Technical Memorandum 2000-209013)
• Rocketdyne SSME: A Technical History (AIAA 2003-4939)
• Space Shuttle News Reference (NASA, 1981)
• Encyclopedia of US Spacecraft (David Baker, 2001)
• The Space Shuttle: A Historical Overview (NASA SP-2001-4520)