Петр Левочкин против Илона Маска: чей ракетный двигатель лучше

Мощный и надежный РД-180 два десятилетия остается для России предметом национальной гордости. США закупают двигатель для своих тяжелых ракет-носителей «Атлас-3» и «Атлас-5», и альтернативы ему пока не создано, поэтому США были вынуждены вывести закупки РД-180 из-под санкций. Без российского двигателя были бы невозможны автоматические миссии NASA к Марсу, Юпитеру и Плутону. В России он должен использоваться на перспективной сверхтяжелой ракете — «Енисей».

Raptor создается SpaceX под перспективный сверхтяжелый «лунно-марсианский» носитель Super Heavy. Он близок к РД-180 по тяге, но использует другое топливо и топливный цикл. Сейчас Raptor находится в стадии огневых испытаний.

Илон Маск: Весь спор начался с того, что Илон Маск в своем твиттере заявил, что Raptor побил рекорд давления в камере сгорания (один из параметров мощности двигателя), который до этого удерживал российский РД-180 (266,7 бар), и достиг значения в 268,9 бар.

https://twitter.com/elonmusk/status/1094782854007910400

Петр Левочкин: «В подобного рода схемах такой уровень давления в камере сгорания не является чем-то выдающимся — в своих разработках для данных схем мы закладываем уровень давления в камере более 300 атмосфер».

Кто тут прав?

Левочкин прав, но немного лукавит. Raptor уже сейчас работает на кислороде и метане, РД-180 использует пару «кислород-керосин». Разработки на «Энергомаше» двигателей на сжиженном метане, о которых говорит российский конструктор, восходят еще к эскизному проекту РД-169 конца 1990-х. Но испытания готового изделия, как говорил в 2018 году гендиректор предприятия Игорь Арбузов, начнутся не раньше чем через три-четыре года. Пока в России были только испытания других двигателей-демонстраторов на этом топливе.

SpaceX объявила о начале проектирования метанового Raptor в 2012 году, а первые огневые испытания прототипов с пониженными параметрами прошли осенью 2016 года. Успешным испытанием двигателя с параметрами давления, приближающимися к целевым, Маск как раз и похвастался 10 февраля, и тут действительно есть чем гордиться.

Петр Левочкин: «Сам параметр давление в камере не является выходной характеристикой двигателя, такой как тяга и удельный импульс».

Кто тут прав?

Формально все так, но от давления в камере прямо зависит и тяга двигателя, и его удельный импульс. При целевых 300 бар (296 атм) удельный импульс Raptor (380 с в вакууме) должен превзойти показатель российского РД-180. А это важнейший параметр совершенства двигателя.

Левочкин: «А если учитывать то, что «Энергомаш» сертифицировал двигатель с 10%-ным запасом, то давление в камере сгорания РД-180 — выше 280 атмосфер», — настаивает конструктор.

Это верно, но у конкурента есть такие же возможности. Двигатель SpaceX можно форсировать немного выше 300 атмосфер, пишет Маск, но дальнейший рост начинают сдерживать уже законы физики.

Левочкин: «Несмотря на то что наши компании являются конкурентами, мы как инженеры приветствуем первые успехи коллег из компании SpaceX в области ракетного двигателестроения. Действительно, при разработке двигателя Raptor американские инженеры вышли на рекордный для себя уровень по давлению в камере. Это свидетельствует о достаточно высоком уровне разработок и производственных процессов в компании SpaceX».

Поздравление с «первыми успехами» — это явно перебор. И дело даже не в давлении, а в том, что у SpaceX — в отличие от «Энергомаша» — уже есть мощный метановый двигатель, заточенный под многоразовое применение. Правда, его осталось довести.

Raptor — третий в истории ракетный двигатель, созданный по закрытому циклу с полной газификацией компонентов и доведенный хотя бы до стадии прототипа. У него все шансы стать первым серийным. Такой цикл увеличивает надежность и эффективность двигателя, что важно для многоразового применения, но общепризнанно сложен в отработке. Метановое топливо гораздо легче, чем керосин, удалить из двигателя после полета. Это позволяет применять двигатель много раз без межполетной разборки.

РД-180 — «половинка» четырехкамерного двигателя РД-170, созданного для ракеты «Энергия» в начале 1980-х годов. РД-170 был разработан на самом пике тогдашних технологий с привлечением всей научной и производственной мощи Советского Союза. Сколько из 16 млрд советских рублей, потраченных на программу «Энергия-Буран», пошло на этот двигатель, неизвестно, но эта доля значительна. РД-193, двигатель первой ступени новейшей российской ракеты «Ангара», тоже из семейства РД-170.

Raptor — создан на средства SpaceX. Маск никогда не раскрывал стоимости программы. Но на поздних этапах ВВС США профинансировали программу создания варианта двигателя для семейства одноразовых ракет EELV примерно на $100 млн. Raptor должен стоять и на первой (31 шт.), и на второй (7 шт.) ступенях гигантской многоразовой ракеты SpaceX (Super Heavy и Starship соответственно). Технический риск этого проекта запределен, но Маск пока не отказывается от запуска к Марсу в 2024 году.

РД-180 и Raptor имеют схожие удельные импульсы, потому что оба подходят к пределу физически возможной для химического топлива энергетики.

Этой энергетики достаточно для облета Луны и высадки на ее поверхность, но начинает не хватать для полета к Марсу по быстрым траекториям, сводящим к минимуму радиационную угрозу экипажу. Двухлетний полет к Марсу на химической тяге, даже за радиационной защитой, сокращает продолжительность предстоящей жизни космонавта на 2,5 года.

Для быстрых пилотируемых полетов к Марсу и экономически оправданного освоения окололунных орбит нужны ядерные (ЯРД) или ионные реактивные двигатели. И СССР, и США в 1960–1980-х годах экспериментировали с ЯРД, но дальше экспериментов дело не пошло. Маломощные ионные двигатели широко используются для коррекции орбит спутников, мощные маршевые двигатели этого типа пока только испытываются.