Небольшое руководство по российским ракетным двигателям

За запуском спутников, станций и много чего ещё в космос стоят ракетные двигатели. Как только мы отправляем в небо спутник, то его траектория, исправление курса и поддержка связи с Землей зависят именно от двигателей.

Давайте разберёмся, как это всё работает.

От нано- до дальнего космоса

Начнём с самого свежего — разработки, которая скоро будут маневрировать на орбите или отправится к Луне. В этом году Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» создал предприятие, которое будет делать двигатели для малых спутников. Основное изделие компании — плазменная установка VERA (Volume-Effective Rocket-propulsion Assembly).

На самом деле, для нано- и микроспутников это топ: она компактная, энергоэффективная и мощная. И уже три аппарата в космосе работают с установками VERA, и среди них спутник «Святобор-1», который отслеживает лесные пожары.

И это ещё не всё: Курчатовский институт представил прототипы ионно-плазменных двигателей для полётов в дальний космос, которые способны работать на больших расстояниях, например, при освоении Луны.

Как объяснил глава института Михаил Ковальчук, Курчатовский институт вплотную приблизился к тому, чтобы оставить позади привычные химические двигатели, которые хоть и быстро выводят нас в космос, но почти не дают маневренности на орбите.

И кстати, многие аппараты сейчас используют электроплазменные двигатели для корректировки орбиты (двигатели Морозова), которые разработали в Курчатовском институте ещё в 1970-х годах. И, по словам Михаила Ковальчука: «Вместе с энергетической установкой прямого преобразования, которая ничего не требует сложного по сравнению с атомной станцией, плюс этот двигатель — и мы будем "хозяином космоса"».

Пока, правда, подробностей больше никаких, но будем посмотреть. Не на одном же «Зевсе» летать в дальний космос?

Какие бывают двигатели?

Чтобы понять, где мы находимся сейчас, давайте разберёмся, какие вообще существуют двигатели для космоса. Здесь важно сразу обозначить три основные типа: химические, электрические и ядерные.

1. Химические двигатели — это классика, это знать надо. Они сжигают смесь топлива и окислителя и могут мгновенно развивать серьёзную тягу, но работают недолго. Делятся на жидкостные и твердотопливные. Жидкостные двигатели более гибкие, что позволяет регулировать тягу в процессе работы, а твердотопливные проще и надёжнее, но их сложно контролировать после запуска.

2. Электрические двигатели — сюда входят ионные и плазменные двигатели. Они не могут дать огромный разгон, зато «крутят» спутники как надо, корректируют траекторию и увеличивают срок службы. Ионные обеспечивают небольшую, но постоянную тягу. А плазменные двигатели (вроде той самой установки VERA) дают больше гибкости, помогут сгруппировать спутники или утилизировать те, что «отработали своё».

3. Ядерные двигатели — пока это скорее мечта для будущих космонавтов, но на дальние перелёты, например, к Марсу или дальше, нужны именно такие мощные двигатели. Они могут обеспечить мощную тягу в течение длительного времени.

Теперь, когда стало понятнее, какие двигатели существуют, можно перейти к конкретике.

Что на вооружении у России сегодня?

Рассмотрим только некоторые двигатели, потому что на всю родословную советских и российских двигателей одной статьи _точно _не хватит.

Двигатели для ракет «Союз» и «Протон»

«Союз»

Старая, но надёжная ракета «Союз» использует двигатели РД-107 и РД-108, которые были разработаны ещё в 1950-х годах. Эти агрегаты можно назвать рабочими лошадками: они работают на смеси керосина и жидкого кислорода, что делает их экологичнее других химических двигателей. Мощности у них хватает на доставку и грузов, и экипажа.

Особенность РД-107 и РД-108 в том, что они оборудованы четырьмя рулевыми камерами, поэтому можно весьма точно выводить ракету на орбиту.

• Тяга: примерно 80 тонн
• Удельный импульс: около 310 секунд в вакууме
• Топливо: керосин и жидкий кислород

«Протон»

А вот ракета «Протон», которая была в строю с 1960-х, использует совсем другой класс двигателей — РД-253. В качестве топлива тут используются гептил и азотный тетроксид, что не слишком безопасно (оба компонента токсичны), зато это обеспечивает надёжность и силу тяги.

На базе РД-253 была разработана и более мощная версия РД-275.

• Тяга: до 180 тонн у улучшенной версии РД-275
• Удельный импульс: примерно 316 секунд в вакууме
• Топливо: гептил и азотный тетроксид

Что там у «Атласа»?

РД-180 — это двухкамерный жидкостный ракетный двигатель, который создали в НПО «Энергомаш». Этот красавчик уже несколько десятилетий прочно держится среди лучших жидкостных ракетных двигателей.

Он работает на керосине и жидком кислороде, а благодаря своей надёжности оказался востребован и за океаном. Американская ракета Atlas V, которую используют NASA и Пентагон, долгое время запускалась именно на РД-180.

16 апреля 2021 года Россия отправила в США последнюю партию из шести двигателей, а уже в сентябре Роскосмос заявил, что американцы запаслись ими на будущее и новых закупок не планируют.

Но это не означает, что РД-180 уходит на покой — напротив, он продолжит работу на российских проектах и останется примером для новых разработок.

• Тяга: до 390 тонн
• Удельный импульс: около 338 секунд в вакууме
• Топливо: керосин и жидкий кислород

В общем, РД-180 — это высокоэффективный двигатель, надёжный и экономичный, поэтому он оказался популярен для задач, где важна тяга, длительность работы и возможность управления. Спасибо двухкамерной конструкции и замкнутому циклу (система полной газификации).

Движок для «Ангары»

А теперь о РД-191, который создали для новейшей российской ракеты «Ангара». Этот однокамерный двигатель — по сути, «младший брат» РД-180.

Он не такой мощный, зато можно использовать сразу несколько таких двигателей в модульной конструкции, чтобы адаптировать ракету под разные задачи — хоть малый груз перевезти, хоть тяжёлую конструкцию.

• Тяга: около 196 тонн в вакууме
• Удельный импульс: примерно 337 секунд в вакууме
• Топливо: керосин и жидкий кислород

РД-191 тоже использует замкнутый цикл с полной газификацией, что делает его экономичным и устойчивым к нагрузкам. А высокий удельный импульс и гибкость делает его идеальным для новых ракет, когда они наконец-то начнут плотно летать.

На экспорт

Галя, у нас отмена

Помимо РД-180, который используется в американских Atlas V, среди экспортных движком можно упомянуть РД-181 — адаптированную версию РД-170, который предназначен для американской ракеты Antares. Этот двигатель помогал США доставлять грузы на МКС (грузовики Cygnus).

Правда, в 2022 году мы перестали поставлять американцам РД-181 в качестве «ответки» на санкции. Вообще сначала планировалось в 2022-2024 годах поставить в США 12 РД-181, а также двигатели РД-181М с улучшенными ТТХ.

Тут, на самом деле, есть проблемка. Спустя год после отказа России поставлять РД-180 и РД-181 Америка столкнулась с нехваткой пусковых мощностей. Тори Бруно (директор United Launch Alliance) уже успел обвинить в этом Россию.

А мощностей не хватает, потому что на рынке космических услуг США спрос сильно превышает предложение, Маск один не справляется.

Но вышло, как вышло.

Наследие «Энергии»

Ещё один интересный вариант — криогенные установки на жидком водороде и кислороде, вроде РД-0120. Они пока не поставлялись за рубеж, но могут заинтересовать страны, которые планируют дальние космические миссии. Почему?

А ведь эти двигатели использовались в российской ракете-носителе «Энергия» ещё в 1980-х! Но дело в том, что они создавали огромную тягу при высоком удельном импульсе, что позволило им стать одними из первых эффективных криогенных двигателей в мире.

А водородные двигатели — будущий тренд для межпланетных полётов, такие технологии могут заинтересовать наших дорогих зарубежных клиентов. Осталось только сделать новые криогенные установки.

Кто-то считает, что технологии производства РД-0120 безвозвратно утеряны... но на их основе разрабатывается новый кислородно-водородный двигатель РД-0146, и уже даже были успешные испытания в 2021 году. Использовать их будут в разгонных блоках, в том числе для Ангары.

Наконец, перспективные двигатели, которые разрабатывают в недрах Курчатовского института, намечены для дальнего космоса и тоже могут оказаться в международных проектах, как только завершатся испытания.

Ведь главным вызовом для будущего остаётся космос за пределами орбиты Земли.