RS-68

RS-68 — это семейство американских жидкостных ракетных двигателей, работающих на компонентах топлива «жидкий водород — жидкий кислород» (LH2/LOX). Разработаны компанией Rocketdyne (впоследствии подразделение Pratt & Whitney Rocketdyne, ныне Aerojet Rocketdyne) для использования в качестве маршевых двигателей первой ступени ракет-носителей семейства Delta IV. Двигатели RS-68 известны своей относительно простой конструкцией, низкой стоимостью производства и высокой тягой, что делает их одними из самых мощных кислородно-водородных двигателей в мире.

История создания

В 1990-х годах ВВС США инициировали программу Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV), направленную на создание более экономичных и надёжных ракет-носителей для вывода военных и коммерческих спутников. В рамках этой программы компания Boeing предложила ракету Delta IV, для которой потребовался новый мощный двигатель на первой ступени.

Разработка RS-68 началась в 1995 году. Основной целью было создание двигателя, который был бы значительно дешевле в производстве и эксплуатации, чем существовавшие аналоги, в первую очередь — двигатель Space Shuttle Main Engine (SSME), также работавший на водороде и кислороде. Конструкторы Rocketdyne применили подход, противоположный сложности SSME: RS-68 изначально проектировался как более простой и «грубый» двигатель с меньшим количеством деталей и более широкими допусками.

Первый испытательный запуск RS-68 состоялся в 1998 году. После серии доработок и успешных огневых стендовых испытаний двигатель был сертифицирован для полётов. Первый запуск ракеты Delta IV с двигателем RS-68 состоялся 20 ноября 2002 года.

Конструкция и принцип работы

RS-68 является двигателем с открытым циклом (газогенераторным). Это означает, что часть топлива сжигается в газогенераторе для привода турбонасосного агрегата (ТНА), а отработанный газ затем выбрасывается через отдельное сопло, не попадая в основную камеру сгорания. Такой цикл проще в реализации, чем закрытый цикл, но несколько снижает общий КПД двигателя.

Основные компоненты

• Камера сгорания: Изготовлена из медного сплава с внутренним канальным охлаждением. В ней происходит смешение и сгорание газообразного водорода и жидкого кислорода.
• Турбонасосный агрегат (ТНА): Состоит из двух насосов (кислородного и водородного), приводимых в действие газовой турбиной. Турбина работает на горячем газе, образующемся в газогенераторе.
• Газогенератор: Небольшая камера сгорания, в которой сжигается часть топлива для получения газа, вращающего турбину.
• Сопло: Крупное сопло с регенеративным охлаждением. Водород, проходя по каналам в стенках сопла, охлаждает их, а затем нагретый газ поступает в камеру сгорания. Сопло RS-68 имеет характерный «сотовый» вид из-за пайки множества трубок, образующих каналы охлаждения.
• Система зажигания: Использует искровые воспламенители для поджига топлива в камере сгорания и газогенераторе.

Особенности конструкции

• Упрощённая конструкция: По сравнению с SSME, RS-68 имеет примерно на 80% меньше деталей. Это значительно снижает стоимость производства и сборки.
• Отсутствие дросселирования: В базовой версии RS-68 не предусмотрена возможность регулировки тяги в полёте (за исключением аварийного отключения). Двигатель работает на фиксированном уровне тяги.
• Большое сопло: Для увеличения эффективности в разреженных слоях атмосферы сопло RS-68 имеет большую степень расширения (отношение площади выходного сечения к площади критического сечения).

Модификации

Семейство RS-68 включает несколько модификаций, отличающихся характеристиками и назначением:

RS-68A

Улучшенная версия двигателя, разработанная для повышения грузоподъёмности ракет Delta IV. Первый полёт с RS-68A состоялся в 2012 году. Основные отличия от базовой версии:

• Увеличенная тяга (до 3140 кН на уровне моря).
• Незначительно повышенный удельный импульс.
• Модифицированная конструкция турбонасоса и камеры сгорания для обеспечения большей надёжности при более высоких параметрах.

RS-68B

Модификация, разрабатывавшаяся для ракеты-носителя Ares V (программа Constellation), которая была отменена в 2010 году. RS-68B должен был иметь ещё большую тягу и быть адаптирован для работы в составе кластера из нескольких двигателей. После отмены программы разработка была прекращена.

Технические характеристики

Применение

Двигатель RS-68 используется исключительно на ракетах-носителях семейства Delta IV, разработанных компанией Boeing и эксплуатируемых United Launch Alliance (ULA).

• Delta IV Medium: Использовала один двигатель RS-68 на первой ступени. Эксплуатация прекращена в 2019 году.
• Delta IV Heavy: Самая мощная версия, состоящая из трёх боковых ускорителей (Common Booster Core), каждый из которых оснащён одним двигателем RS-68. Таким образом, на старте одновременно работают три двигателя RS-68. Delta IV Heavy использовалась для вывода тяжёлых военных спутников и зондов NASA (например, зонда «Паркер»). Последний запуск Delta IV Heavy состоялся в апреле 2024 года.
• Ares V (проект): Планировалось использование пяти двигателей RS-68B на первой ступени. Проект закрыт.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Низкая стоимость: RS-68 считается одним из самых дешёвых в производстве крупных жидкостных ракетных двигателей. Стоимость одного экземпляра оценивалась в 14-20 миллионов долларов (для сравнения, стоимость SSME составляла около 50-100 миллионов долларов).
• Высокая тяга: Обеспечивает значительную грузоподъёмность, особенно в конфигурации Delta IV Heavy.
• Экологичность: Продукты сгорания — водяной пар, что делает его одним из самых экологичных ракетных двигателей.

Недостатки

• Низкий удельный импульс для водородного двигателя: Из-за открытого цикла и упрощённой конструкции RS-68 имеет более низкий удельный импульс, чем более сложные водородные двигатели, такие как SSME или российский РД-0120.
• Отсутствие дросселирования: Невозможность регулировки тяги в полёте ограничивает гибкость управления.
• Проблемы с воспламенением: На ранних этапах эксплуатации отмечались случаи повреждения сопла из-за неравномерного воспламенения водорода. Эта проблема была решена путём модификации системы зажигания.
• Зависимость от водорода: Жидкий водород имеет низкую плотность, что требует больших баков и усложняет конструкцию ракеты.

Перспективы

С завершением программы Delta IV в 2024 году, двигатели RS-68 больше не используются в текущих космических запусках. На смену Delta IV пришла ракета Vulcan Centaur от ULA, которая использует двигатели BE-4 компании Blue Origin, работающие на метане. Таким образом, производство RS-68 было прекращено. Однако накопленный опыт и конструктивные решения, применённые в RS-68, могут быть использованы в будущих разработках.

Источники

• «Rocketdyne RS-68: A New Engine for a New Era» — AIAA Paper 2000-3890.
• «Delta IV Launch Vehicle: RS-68 Engine» — United Launch Alliance Technical Documentation.
• «Space Launch Report: Delta IV Data Sheet» — архивные данные.
• «Encyclopedia Astronautica: RS-68» — справочные материалы.
• «The History of the RS-68 Engine» — публикации в журнале «Spaceflight».