RL-10

RL-10 — это семейство криогенных ракетных двигателей, работающих на жидком водороде и жидком кислороде, разработанных и производимых компанией Pratt & Whitney (впоследствии — подразделение Aerojet Rocketdyne, ныне — L3Harris Technologies). Двигатели RL-10 являются одними из старейших и наиболее надёжных в мире, находящихся в эксплуатации с начала 1960-х годов. Они используются в качестве маршевых двигателей верхних ступеней ракет-носителей, в первую очередь в разгонных блоках «Центавр» (Centaur) и «Дифенити» (DCSS, Delta Cryogenic Second Stage). Основное назначение RL-10 — обеспечение высокоэффективного выведения полезных грузов на геопереходную, геостационарную, лунную и межпланетные орбиты.

История

Разработка (1950-е — 1960-е)

Разработка RL-10 началась в 1958 году по заказу ВВС США и НАСА для создания высокоэффективного двигателя для верхних ступеней ракет. Ключевой задачей было создание двигателя, способного работать на жидком водороде — топливе с самой высокой удельной тягой среди всех химических ракетных топлив, но чрезвычайно трудном в обращении из-за низкой температуры (−253 °C) и малой плотности. Первый успешный стендовый запуск прототипа состоялся в 1960 году. Первый полёт двигателя RL-10 состоялся 27 ноября 1963 года на ракете «Атлас-Аджена» (Atlas-Agena) в составе разгонного блока «Центавр». Этот полёт стал также первым успешным использованием жидководородного двигателя в космосе.

Первые лётные испытания и программа «Аполлон»

В 1960-е годы RL-10 применялся в программе «Аполлон» для разгона лунного модуля (LM) и служебного модуля (SM) на траекторию к Луне. Двигатель RL-10A-3-3A использовался в разгонном блоке «Центавр» для выведения зондов «Сервейер» (Surveyor) на лунную траекторию. В 1967 году двигатель RL-10 обеспечил успешный запуск первого американского лунного орбитального зонда «Лунар Орбитер» (Lunar Orbiter). В 1970-е годы RL-10 применялся для запуска спутников связи и научных аппаратов.

Эволюция семейства (1970-е — 2000-е)

В 1970-х годах началась модернизация двигателя, приведшая к созданию версии RL-10A-3-3A с увеличенной тягой и улучшенной надёжностью. В 1980-х годах разработана версия RL-10A-4, предназначенная для разгонного блока «Центавр» на ракете «Титан» (Titan). В 1990-х годах появилась версия RL-10B-2, созданная специально для разгонного блока DCSS ракеты «Дельта IV» (Delta IV). Эта версия отличалась увеличенным соплом с выдвижным насадком (для повышения расширения газа в разреженной атмосфере) и системой управления вектором тяги (УВТ) на основе качания двигателя.

Современное состояние (2010-е — 2020-е)

В 2010-х годах компания Aerojet Rocketdyne (ныне L3Harris) разработала версию RL-10C-X, предназначенную для разгонного блока «Центавр» ракеты «Вулкан» (Vulcan Centaur). Эта версия использует напечатанные на 3D-принтере компоненты, что снижает стоимость и время производства. В 2020-х годах RL-10 остаётся основным двигателем для разгонных блоков «Центавр» и DCSS, а также используется в разгонном блоке EUS (Exploration Upper Stage) ракеты SLS (Space Launch System). В 2023 году начались лётные испытания версии RL-10C-1 на ракете «Вулкан».

Конструкция и принцип работы

Топливная система

RL-10 работает по схеме с открытым циклом (газогенераторный цикл). Основные компоненты:

• Жидкий водород (LH2) — горючее, температура −253 °C.
• Жидкий кислород (LOX) — окислитель, температура −183 °C.

Топливо подаётся в камеру сгорания через турбонасосный агрегат (ТНА), который вращается за счёт газа, образующегося при сгорании части водорода в газогенераторе. После турбины газ выбрасывается в атмосферу (открытый цикл), что снижает эффективность, но упрощает конструкцию.

Камера сгорания

Камера сгорания RL-10 изготовлена из никелевого сплава и охлаждается жидким водородом, проходящим через каналы в стенках (регенеративное охлаждение). Сопло двигателя — коническое или с выдвижным насадком (в версиях RL-10B-2), изготовленное из жаропрочного сплава. В версиях с выдвижным насадком сопло телескопически выдвигается после выхода на орбиту для увеличения степени расширения газа.

Система зажигания

Зажигание топливной смеси осуществляется с помощью искрового воспламенителя, использующего электрическую дугу. В ранних версиях применялся пиротехнический воспламенитель. Современные версии используют электронную систему зажигания, обеспечивающую многократное включение (до 15 раз в одном полёте).

Управление вектором тяги (УВТ)

Управление направлением тяги осуществляется двумя способами:

• Качание двигателя — в версиях RL-10A-4 и RL-10B-2 двигатель может отклоняться на угол до ±5° с помощью гидравлических приводов.
• Газодинамическое управление — в версиях RL-10A-3-3A управление осуществляется с помощью впрыска гелия в сопло, создающего боковую силу.

Модификации

Таблица основных модификаций RL-10

Особенности версий

• RL-10A-1 — первая серийная версия, использовалась только на ранних «Центаврах».
• RL-10A-3-3A — наиболее массовая версия, использовалась на «Центаврах» для запуска спутников связи и зондов.
• RL-10A-4 — модификация с увеличенной тягой для ракет «Титан IV».
• RL-10B-2 — версия с выдвижным соплом для разгонного блока DCSS ракеты «Дельта IV». Обеспечивает самый высокий удельный импульс среди всех версий.
• RL-10C-1 — современная версия с напечатанными на 3D-принтере компонентами, предназначенная для ракеты «Вулкан».
• RL-10C-X — экспериментальная версия для разгонного блока EUS ракеты SLS, с увеличенным ресурсом и возможностью многократного включения.

Применение

Разгонные блоки

Основное применение RL-10 — разгонные блоки, обеспечивающие выведение полезных грузов на высокие орбиты:

• «Центавр» (Centaur) — двухдвигательная (RL-10A-3-3A или RL-10C-1) или однодвигательная (RL-10A-4) ступень, используемая на ракетах «Атлас V» и «Вулкан».
• DCSS (Delta Cryogenic Second Stage) — однодвигательная ступень с RL-10B-2, используемая на ракете «Дельта IV».
• EUS (Exploration Upper Stage) — перспективная ступень для ракеты SLS, оснащённая четырьмя двигателями RL-10C-X.

Космические аппараты

В 1960-х годах RL-10 использовался для разгона лунных зондов «Сервейер» и «Лунар Орбитер», а также для выведения спутников связи серии «Интелсат» (Intelsat) и «Эхо» (Echo). В 1970-х годах двигатель применялся для разгона межпланетных зондов «Викинг» (Viking) и «Вояджер» (Voyager). В 1990-х годах RL-10 использовался для выведения спутников связи «Иридиум» (Iridium) и «Глобалстар» (Globalstar).

Пилотируемые миссии

RL-10 никогда не использовался в качестве двигателя пилотируемых кораблей, но его версии применялись в разгонных блоках для выведения пилотируемых аппаратов (например, корабля «Орион» на ракете SLS). В программе «Аполлон» RL-10A-3-3A использовался для разгона лунного модуля на траекторию к Луне.

Характеристики и надёжность

Основные параметры (для версии RL-10B-2)

• Тяга в вакууме: 110,1 кН (11,2 тс)
• Удельный импульс в вакууме: 462 с (4530 м/с)
• Масса: 285 кг
• Длина: 4,14 м (с выдвинутым соплом)
• Диаметр сопла: 2,13 м
• Давление в камере сгорания: 4,4 МПа (44 атм)
• Соотношение компонентов (окислитель/горючее): 5,88:1
• Время работы: до 1125 с (18,75 мин)
• Количество включений: до 15

Надёжность

За всю историю эксплуатации (с 1963 года) было произведено более 500 лётных запусков двигателей RL-10. По данным производителя, надёжность двигателя превышает 99,9 % (ни одного отказа, приведшего к потере миссии, за последние 30 лет). Всего зафиксировано 2 отказа в ранних версиях (в 1960-х годах), связанных с проблемами в системе зажигания и турбонасосном агрегате.

Производство и производитель

Производитель

Двигатели RL-10 производятся компанией L3Harris Technologies (ранее — подразделение Aerojet Rocketdyne, которое было приобретено L3Harris в 2023 году). Производственные мощности расположены в Уэст-Палм-Бич (Флорида, США) и Сакраменто (Калифорния, США).

Стоимость

Стоимость одного двигателя RL-10B-2 оценивается в 10–15 миллионов долларов США (по данным на 2020 год). Стоимость версии RL-10C-1, благодаря использованию 3D-печати, снижена до 8–10 миллионов долларов.

Перспективы развития

RL-10C-X

Версия RL-10C-X разрабатывается для разгонного блока EUS ракеты SLS. Предполагается, что двигатель будет иметь увеличенный ресурс (до 20 включений) и улучшенную систему управления вектором тяги. Первый полёт запланирован на 2025 год.

RL-10 для многоразовых ступеней

В 2020-х годах компания L3Harris начала исследования по адаптации RL-10 для многоразовых разгонных блоков (например, для программы «Старшип» (Starship) компании SpaceX). Планируется создание версии с возможностью многократного включения (до 100 раз) и увеличенным сроком службы.

Конкуренты

Основными конкурентами RL-10 являются:

• РД-0146 (Россия) — криогенный двигатель, разработанный КБХА, с удельным импульсом 463 с.
• Vinci (Европа) — криогенный двигатель для разгонного блока «Ариан 6» (Ariane 6), с удельным импульсом 457 с.
• BE-3U (США) — криогенный двигатель компании Blue Origin, предназначенный для разгонного блока «Нью Гленн» (New Glenn).

Критика

Экологические аспекты

Криогенные двигатели, работающие на водороде, считаются экологически чистыми, так как продуктом сгорания является водяной пар. Однако производство жидкого водорода требует больших энергозатрат и часто связано с выбросами углекислого газа (при получении водорода из природного газа). Кроме того, водород обладает высокой проникающей способностью, что создаёт риски утечек и взрывов при хранении.

Экономическая эффективность

Стоимость RL-10 (10–15 млн долларов) считается высокой для современного рынка пусковых услуг. Конкуренты, такие как двигатели на керосине (например, RD-180), значительно дешевле, хотя и имеют меньший удельный импульс. В 2020-х годах компания SpaceX разрабатывает многоразовый двигатель Raptor, работающий на метане, который может составить конкуренцию RL-10 по стоимости и эффективности.

Интересные факты

• RL-10 является первым в мире жидкостным ракетным двигателем, работающим на жидком водороде, который был использован в космическом полёте (1963 год).
• Двигатель RL-10B-2 имеет самый высокий удельный импульс среди всех серийных ракетных двигателей, работающих на химическом топливе (462 с).
• В 2019 году двигатель RL-10C-1 стал первым ракетным двигателем, в котором критически важные компоненты (камера сгорания, сопло) были напечатаны на 3D-принтере.
• За всю историю эксплуатации RL-10 не было ни одной аварии, связанной с отказом двигателя, приведшей к потере космического аппарата (по данным на 2024 год).
• Двигатель RL-10A-3-3A использовался для выведения на орбиту телескопа «Хаббл» (Hubble) в 1990 году.

Источники

• Sutton, G. P. (2005). History of Liquid Propellant Rocket Engines. AIAA.
• Sutton, G. P., & Biblarz, O. (2017). Rocket Propulsion Elements (9th ed.). Wiley.
• Pratt & Whitney (1964). RL-10 Rocket Engine Technical Manual.
• NASA (2002). Centaur Upper Stage Fact Sheet.
• Aerojet Rocketdyne (2020). RL-10 Engine Brochure.
• L3Harris Technologies (2023). RL-10C-X Development Update.
• Space Launch Report (2024). RL-10 Flight History Database.
• Encyclopedia Astronautica (2024). RL-10.
• «Ракетные двигатели на водороде» — статья в журнале «Космическая техника» (2021, №4).