SSME

SSME (сокр. от англ. Space Shuttle Main Engine) — это жидкостный ракетный двигатель многократного использования, разработанный в США для программы «Спейс шаттл». Он являлся одним из трёх основных двигателей космического корабля, работал на жидких кислороде и водороде и обеспечивал тягу на уровне моря около 1,86 МН (190 тонн-сил). Двигатель отличался высокой степенью совершенства и единственным в мире на момент создания опытом многократного применения в условиях пилотируемых полётов.

История

Разработка SSME началась в 1970-х годах в рамках программы создания многоразовой транспортной космической системы «Спейс шаттл». Главным подрядчиком выступила компания Rocketdyne (впоследствии подразделение Pratt & Whitney, ныне Aerojet Rocketdyne). Первый испытательный запуск двигателя состоялся в 1975 году, а первый полёт на шаттле «Колумбия» (STS-1) — 12 апреля 1981 года.

Ключевой особенностью SSME была его многоразовость: каждый двигатель после полёта проходил регламентное обслуживание и мог использоваться повторно до 20—30 раз (в зависимости от модификации). За время эксплуатации программы (1981—2011) было произведено 46 двигателей, из которых 43 использовались в полётах. Всего было выполнено 135 запусков шаттлов, каждый из которых требовал работы трёх двигателей SSME (плюс два твердотопливных ускорителя). В 2011 году, после завершения программы «Спейс шаттл», производство двигателей было остановлено, однако часть наработок использовалась в проекте SLS (Space Launch System) — двигатели RS-25, являющиеся модернизированными версиями SSME, применяются в основной ступени этой сверхтяжёлой ракеты.

Устройство и принцип работы

SSME относился к классу жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с замкнутой схемой (с дожиганием генераторного газа). В отличие от открытой схемы, где часть топлива сбрасывается, здесь весь газ после турбины подаётся в камеру сгорания, что повышает эффективность.

Основные компоненты

• Камера сгорания — изготовлена из медного сплава с каналами охлаждения, через которые прокачивается жидкий водород. Температура в камере достигала 3300 °C.
• Турбонасосные агрегаты (ТНА) — два отдельных агрегата: один для подачи жидкого кислорода (окислителя), другой — для жидкого водорода (горючего). Каждый ТНА вращался со скоростью до 35 000 об/мин (для кислорода) и до 90 000 об/мин (для водорода). Мощность каждого насоса превышала 20 МВт.
• Сопло — расширяющаяся часть, изготовленная из жаропрочного сплава и охлаждаемая жидким водородом. Высота сопла составляла около 2,9 м, диаметр на срезе — 2,4 м.
• Система управления вектором тяги — двигатель мог отклоняться на угол до ±10,5° в двух плоскостях для управления ориентацией шаттла.

Принцип работы

1. Жидкий водород и кислород подаются из баков шаттла под давлением (около 0,3 МПа) в ТНА.
2. Турбонасосы повышают давление до 40—50 МПа (400—500 атмосфер).
3. Часть топлива (около 10—15%) сжигается в газогенераторе при низкой температуре (около 700 °C) для вращения турбин ТНА.
4. Отработавший газ (смесь водорода и кислорода) подаётся в камеру сгорания, где сжигается с остальным топливом.
5. Продукты сгорания (водяной пар) выбрасываются через сопло, создавая тягу.

Модификации

За время эксплуатации SSME прошёл несколько модернизаций:

• SSME Phase I (1981—1985) — базовая версия с тягой 1,86 МН на уровне моря.
• SSME Phase II (1985—1995) — увеличенная надёжность, улучшенное охлаждение.
• SSME Block I (1995—2001) — повышение тяги до 1,89 МН (на уровне моря) и 2,27 МН (в вакууме).
• SSME Block II (2001—2011) — финальная версия с тягой 1,91 МН (на уровне моря) и 2,28 МН (в вакууме). Удельный импульс в вакууме достигал 452,3 с.

Характеристики

Применение

SSME использовался исключительно в программе «Спейс шаттл» (1981—2011). Каждый из пяти шаттлов («Колумбия», «Челленджер», «Дискавери», «Атлантис», «Индевор») оснащался тремя такими двигателями, установленными в кормовой части орбитального корабля. Двигатели запускались за 6,6 секунды до старта, а после отрыва от земли работали в течение 8,5 минут, обеспечивая выход на орбиту.

После завершения программы шаттлов модернизированные версии SSME (под названием RS-25) были адаптированы для использования в первой ступени ракеты-носителя SLS. Первый полёт SLS (миссия «Артемида-1») состоялся в ноябре 2022 года. RS-25 отличаются от SSME увеличенным ресурсом (до 40 полётов) и использованием цифровой системы управления.

Критика и недостатки

Несмотря на высокую эффективность, SSME имел ряд недостатков:

• Сложность и стоимость — каждый двигатель стоил около 40—50 млн долларов (в ценах 1990-х годов). Обслуживание после каждого полёта требовало сотен человеко-часов.
• Надёжность — хотя двигатель считался одним из самых надёжных в истории, за 30 лет эксплуатации было зафиксировано несколько аварийных ситуаций. В 1986 году катастрофа «Челленджера» была вызвана неисправностью твердотопливного ускорителя, а не SSME, но в 2003 году катастрофа «Колумбии» произошла из-за повреждения теплозащиты, а не двигателя. Однако были случаи отказов ТНА (например, в миссии STS-51F в 1985 году), когда двигатель отключался до выхода на орбиту.
• Экология — выбросы водяного пара и небольшого количества несгоревшего водорода не оказывали значительного влияния, но производство жидкого водорода требовало больших энергозатрат.

Интересные факты

• SSME был первым жидкостным ракетным двигателем, который использовал замкнутую схему с дожиганием в коммерческой пилотируемой программе.
• Давление в камере сгорания (20,6 МПа) было рекордным для своего времени — выше, чем у двигателей советской лунной ракеты Н-1 (РД-270 имел 15,5 МПа).
• Турбонасос для жидкого водорода вращался со скоростью 90 000 об/мин — это один из самых быстрых вращающихся механизмов, созданных человеком.
• Двигатель мог работать в режиме дросселирования (снижения тяги) до 65% от номинала, что позволяло уменьшать перегрузки при выходе на орбиту.
• После завершения программы шаттлов 16 двигателей SSME были сохранены для использования в SLS, а остальные переданы в музеи (например, в Национальный музей авиации и космонавтики в Вашингтоне).

Источники

• NASA. «Space Shuttle Main Engine Orientation» (1998).
• Sutton, G. P., Biblarz, O. «Rocket Propulsion Elements» (8th ed., 2010).
• Aerojet Rocketdyne. «RS-25 Engine Fact Sheet» (2020).
• Jenkins, D. R. «Space Shuttle: The History of the National Space Transportation System» (2001).