Многоразовый ракетный двигатель

Многоразовый ракетный двигатель — это тип жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), конструкция и материалы которого рассчитаны на многократное использование в составе летательных аппаратов без капитального ремонта или с проведением межполётного обслуживания. В отличие от одноразовых двигателей, которые работают один раз и сгорают в атмосфере либо падают на Землю, многоразовые двигатели предназначены для возвращения на стартовую площадку или на специальный посадочный комплекс, прохождения инспекции и повторного включения в полёте.

История

Ранние концепции

Идея многоразовых ракетных двигателей восходит к середине XX века, когда начались разработки систем, способных значительно снизить стоимость выведения грузов на орбиту. Одним из первых проектов стал американский космический челнок Space Shuttle, в котором использовались три жидкостных ракетных двигателя RS-25 (SSME), работавших на водороде и кислороде. Эти двигатели имели ресурс, рассчитанный на 55 полётов, и проходили межполётное обслуживание, включавшее замену некоторых деталей. Однако из-за высокой стоимости обслуживания (до 50 миллионов долларов на один двигатель) и того, что после каждого полёта двигатели требовали полной переборки, фактическая экономия оказалась ниже ожидаемой.

Советские и российские разработки

В СССР в 1970–1980-х годах велись работы над многоразовым двигателем РД-0120 (для ракеты-носителя «Энергия»), который также был рассчитан на многократное использование, но из-за закрытия программы «Энергия — Буран» в 1993 году эти двигатели остались экспериментальными. В постсоветский период интерес к многоразовым двигателям возродился в связи с разработкой ракет «Союз-5» и «Амур-СПГ» (предполагается использование многоразовой первой ступени с двигателем РД-0169 на метане).

Современный этап (2000-е — настоящее время)

Революция в многоразовом ракетном двигателестроении связана с компанией SpaceX (США), которая с 2010-х годов начала систематически возвращать первые ступени ракет Falcon 9 и Falcon Heavy, используя двигатели Merlin 1D. Эти двигатели выполнены по открытой схеме с газогенератором и работают на керосине (RP-1) и жидком кислороде. По состоянию на 2024 год, рекорд одного двигателя Merlin 1D составляет 15 полётов без капитального ремонта (на ступени B1062). В 2022 году компания начала испытания двигателя Raptor 2 для системы Starship, который также многоразовый и работает на метане и кислороде.

В России в 2020-х годах разрабатывается метановый двигатель РД-0169, предназначенный для многоразовой ракеты «Амур-СПГ». Двигатель использует замкнутую схему с дожиганием генераторного газа и, по заявлениям разработчиков (АО «Конструкторское бюро химавтоматики»), должен выдерживать до 10–15 полётов с межполётным обслуживанием.

Классификация

По типу топлива

1. Керосиновые двигатели — классический тип, используемый в Falcon 9 (Merlin 1D) и «Амур-СПГ» (РД-0169 — метановый). Керосин менее энергоэффективен, чем водород, но дешевле и удобнее в хранении.
2. Водородные двигатели — высокоэнергетичные, но дорогие и сложные в эксплуатации (RS-25, РД-0120). Требуют криогенных температур для хранения водорода (около −253 °C).
3. Метановые двигатели — перспективный тип (Raptor, РД-0169). Метановые двигатели обладают хорошим удельным импульсом, меньшим загрязнением камеры сгорания (по сравнению с керосином) и лучшей возможностью дозаправки на других планетах (например, Марсе).

По схеме рабочего процесса

• Открытая схема (с газогенератором) — часть топлива сжигается в газогенераторе, а образующийся газ выбрасывается в атмосферу через турбину (Merlin 1D). Проще, но менее эффективна.
• Замкнутая схема (с дожиганием) — генераторный газ после турбины подаётся в камеру сгорания для полного сгорания (Raptor, РД-0169). Сложнее, но позволяет получить больший удельный импульс.
• Безгазогенераторная схема (с вытеснительной подачей) — не используется в современных многоразовых двигателях из-за низкого давления в камере.

Принцип работы и конструктивные особенности

Многоразовый ракетный двигатель состоит из тех же основных узлов, что и одноразовый: камера сгорания, форсунки, сопло, турбонасосный агрегат (ТНА), газогенератор, системы управления и охлаждения. Однако для _многократности_ предъявляются дополнительные требования:

1. Увеличенный ресурс — детали должны выдерживать множество циклов «запуск — полёт — выключение». Например, в двигателе Raptor 2 применяются упрочнённые лопатки турбины из кобальт-хромовых сплавов, способные работать при температурах до 1300 °C более 50 раз.
2. Защита от термического износа — камера сгорания и сопло охлаждаются жидким топливом (регенеративное охлаждение). В многоразовых двигателях каналы охлаждения проектируются так, чтобы после 10–20 полётов не требовалась замена внутренних стенок.
3. Диагностика и обслуживание — конструкция предусматривает возможность визуального осмотра, замены форсунок, уплотнений и датчиков без полной разборки двигателя. В SpaceX такие работы занимают несколько дней, а не месяцев.
4. Стойкость к многократным запускам — запуск в вакууме (для работы на орбите) требует надёжных воспламенителей и системы повторного зажигания. В Falcon 9 используется пиротехнический воспламенитель, который заменяется после каждого полёта.

Применение

Выведение полезной нагрузки

Основное применение — возвращаемые первые ступени ракет-носителей. Первая ступень Falcon 9, оснащённая 9 двигателями Merlin 1D, совершает посадку на плавучую платформу или на сушу, после чего проходит техобслуживание и используется в следующем пуске (до 15 раз). Ступень Starship (SpaceX) использует 33 двигателя Raptor и рассчитана на 100–200 полётов без капитального ремонта.

Двигатели верхних ступеней

Вторые ступени с многоразовыми двигателями пока не эксплуатируются коммерчески, но разрабатываются. Например, двигатель RL-10 (США, водород/кислород) используется в разгонных блоках Centaur и DCSS, но его ресурс ограничен несколькими включениями. В проекте Starship верхняя ступень (также многоразовая) оснащена 6 двигателями Raptor, которые включаются до 3–4 раз за полёт.

Альтернативные концепции

Проводятся эксперименты с многоразовыми двигателями для:

• возвращаемых крылатых аппаратов (например, Boeing X-37B — использует одноразовый разгонный блок, но рассматривается многоразовый вариант);
• межпланетных экспедиций (например, двигатель Raptor для посадки и взлёта с Марса).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Снижение стоимости выведения — экономия на производстве двигателей (один двигатель заменяет 10–15 одноразовых). По данным SpaceX, стоимость запуска Falcon 9 при многоразовой первой ступени составляет около 50 миллионов долларов против 62 миллионов для одноразовой версии.
• Частота запусков — возможность быстрой повторной подготовки ступени (до 2–3 недель вместо 2–3 месяцев на сборку новой).
• Экология — меньшее количество выбрасываемых в атмосферу отработанных ступеней, которые в противном случае становятся космическим мусором.

Недостатки

• Сложность конструкции — требуется резервирование узлов, система охлаждения выдерживает большее число циклов. Двигатели становятся тяжелее и дороже в производстве.
• Межполётное обслуживание — по данным НАСА, на один полёт RS-25 после него тратилось до 60 дней на проверки и замену деталей, что сопоставимо со стоимостью одноразовой ступени.
• Риски отказа — повторное использование ускоряет износ, и если вовремя не выявить трещины или усталость, возможен catastrophic failure (как в случае с Falcon 9 в 2015 году, когда из-за дефекта в одноразовом элементе двигателя произошёл взрыв).

Перспективы

Основные направления развития:

1. Десятки и сотни полётов без обслуживания — SpaceX ставит цель довести ресурс Raptor до 1000 полётов при условии только дозаправки.
2. Полностью авиационное обслуживание — двигатели должны проходить только быстрый осмотр с заменой фильтров и датчиков.
3. Многоразовые двигатели для всех ступеней — концепции полностью многоразовых ракет (например, «Корона» (Россия, разрабатывалась в 1990-х), Starship).
4. Использование на других планетах — двигатели на метане могут дозаправляться на Марсе из местных ресурсов.

Известные примеры многоразовых двигателей

Интересные факты

• Двигатель RS-25 (SSME) был настолько дорогим (более 50 миллионов долларов за единицу), что его использование в многоразовом челноке не принесло экономии: стоимость одного запуска Space Shuttle составила около 450 миллионов долларов.
• Merlin 1D — единственный двигатель в мире, который выполнил более 15 успешных полётов без капитального ремонта (по данным на апрель 2024 года).
• Первый многоразовый ЖРД в мире, который был запущен и возвращён на Землю целым — это Merlin 1D (31 мая 2017 года, миссия SpaceX Iridium-2).

Источники

• SpaceX Falcon 9 User's Guide (2023)
• Rocket Propulsion Elements, 9th Edition, Sutton & Biblarz (2017)
• Отчёт о разработке многоразовой ракеты-носителя «Амур-СПГ», АО «КБХА» (2021)
• Статья «Многоразовые ракетные двигатели: прошлое, настоящее, будущее», журнал «Космонавтика и ракетостроение», № 3, 2020
• NASA SP-8107 «Liquid Rocket Engine Life Prediction» (1975)
• Интернет-источник: SpaceX official website — Raptor Engine Overview (2024)