Чому США купують українські ракетні двигуни РД-180
Майже в кожному пості про Ілона Маска неодмінно постає питання: "Якщо американці такі круті, то чому вони купують українські ракетні двигуни?" Спробую відповісти на нього.
Спочатку трохи теорії. Єдиний тип двигунів, який здатний відірвати ракету від Землі та розігнати до потрібної швидкості – це рідинний ракетний двигун (ЗРД).Так, про твердопаливні я пам'ятаю, але серійно вони застосовуються тільки у зв'язці з рідинними.
Характеристик у ЖРД багато, проте нас у цьому випадку цікавлять лише чотири:
Почнемо по порядку.
Типи паливау ЖРД використовуються різні - на серійно використовуваних двигунах застосовуються три основні пари пального та окислювача. Це водень-кисень, кисень-гас і гептил-аміл. Остання пара - дуже небезпечні отрути, перші дві при попаданні в атмосферу випаровуються та навколишньому середовищу шкоди не завдають. Відповідно, залишається два варіанти пального - гас і водень. Водень дозволяє отримати більший питомий імпульс (про це нижче), але в нього менше щільність, що вимагає збільшення розмірів паливного бака.
Двигун проектується лише під один тип палива, та змінити це – фактично створити новий двигун. При цьому в СРСР-Україні водневі двигуни практично не використовувалися. Однак СРСР-Україна лідирує за гасовими двигунами - так, у США не створено (і не планується) гасовий двигун закритого циклу, який ефективніший, ніж ЖРД з відкритим циклом. Однак реалізувати закритий цикл складніше.
Питомий імпульс (УІ)- це характеристика кількості руху, яке здатний створити двигун, витративши одиницю палива. Відповідно чим вище УІ, тим ефективнішийдвигун, тому що при тому ж витраті палива може створити більше тяги або працювати більше часу. УІ вважається також однією з головних характеристик ефективності двигуна.
Залежить він від палива. Так, пара кисень-водень теоретично дозволяє отримати у вакуумі імпульс 428 секунд. Кисень-гас - 335 с, гептил-аміл - 318 с. Вимірюється вона за секунди - тобто. скільки секунд двигун здатний створювати тягу в 1 кгс, витративши при цьому 1 кг палива. У реальному житті УІ буде менше, бо ідеального двигуна не буває. Знижує імпульс і відкрита схема двигуна - при ній частина палива, що приводить у дію насоси, скидається і не бере участі у створенні тяги.
Тяга двигуна- це сила, яку двигун здатний прикласти до ракети. змінюється у ньютонах чи тонн-силах (тс). Більше двигун – більше тяга, тут все просто. Також слід пам'ятати, що тяга (як і питомий імпульс) у вакуумі більша, ніж в атмосфері.
І нарешті,ціна. Вона важлива, тому що двигуни купуються і продаються (див. заголовок) Однак нам буде важлива ним абсолютна ціна, а вартість двигуна в перерахунку на тонну тяги - адже можна поставити десяток дешевих маленьких двигунів, а можна - один великий і дорогий.
Однак це і найнедоступніший параметр. Секунди та тонни є у загальному доступі, точних цін – ні. Ціна продажу та собівартість можуть відрізнятися дуже сильно. А вже перерахувати ціну створеного при плановій економіці півстоліття тому двигуна в сучасні долари або рублі і зовсім нереально.
Тут, природно, слід враховувати і країну розробки, масовість, і ще купу інших чинників. Більше зарплати конструкторів - більше вартість двигуна, наприклад.
З теорією розібралися, переходимо доприкладів.
У 60-х роках у США для польоту на Місяць було створено найпотужніший (на той момент) ЖРД - однокамерний гасовийF-1, з тягою 690 тс на рівні моря. А ось питомий імпульс – всього 265 секунд. Двигун потужний, але не особливо ефективний.
Для місячної програми СРСР було створено НК-15, а позі з його основі -НК-33. Теж гасовий та однокамерний, але тяга – всього 151 тс на рівні моря. Натомість питомий імпульс – 297 секунд. Ефективність вища, але менша тяга зажадала встановлення тридцяти двигунів на перший щабель Н-1 (проти п'яти у Saturn-V).
У 1970-х у СРСР створюєтьсяРД-170, теж гасовий, але чотирикамерний. На чотири сопла встановлено загальний турбонасос та інші системи. Тяга на рівні моря – 740 тс, питомий імпульс – 309 с на рівні моря, 337 с у вакуумі.
У тих же сімдесятих США створюється однокамернийRS-25для Шаттла. Тяга - 181 тс, тобто приблизно стільки ж, скільки посідає одне сопло у РД-170. А ось УІ вище – 363 с на рівні моря, 452 с у вакуумі. Причина - в іншому паливі, водні.
У 90-х на замовлення США з урахуванням РД-170 створюється його " половинка " -РД-180. Паливо залишається те саме, питомий імпульс практично не змінюється - 337 і 311 с. Тяга закономірно знижується вдвічі – до 390 тс. Ціна - "на думку ряду експертів", від 11 до 15 мільйонів доларів (виходить 28. 38 тисяч доларів за транспортний засіб).
У тих же 90-х США створюється однокамернийRS-68. Пальне - водень, тяга - 289 тс, питомий імпульс - 359 с на рівні моря, 409 с у вакуумі. Ціна - близько 20 мільйонів доларів (69к $ за тс).
І нарештіMerlin 1D,встановлений на Falcon 9. Гасовий, однокамерний, відкрита схема. Питомий імпульс – 282 з на рівні моря, тяга – 74транспортний засіб. Ціна - мені зустрічалася оцінка в 1,5 чи 2,12 мільйона (20. 29 тисяч доларів за транспортний засіб).
А тепер спробуємо відповісти на популярні запитання.
Чому США купують українські двигуни?
Бо це було дешево. Я не знаю, скільки саме отримував конструктор чи робітник у 90-х у США та скільки в Україні, але думаю, що різниця – приблизно на порядок. Тому на хвилі мра-дружби жуйки сплатити розробку двигуна на базі вже існуючого вийшло дешевше, ніж використати свої. До того ж, якщо використовувати гас, то тут Україна має перевагу - США відстають у таких двигунах.
Чому ж вони не літають на своїх двигунах?
Знову ж таки - тому що ціна. Деякі запуски робляться і на своїх (див. Delta IV), але не всі.
Чому вони продовжують купувати, незважаючи на санкції?
Тому що це, як і раніше, дешевше і ефективніше, ніж розробляти свій двигун або нову ракету під існуючі.
А Україна (хвилина політики) ембарго на імпорт продуктів наклала, а на експорт двигунів чомусь ні. Ось торгівля і продовжується.
А як же Маск та його чудові двигуни?
Подивіться характеристики ще раз. Ефективність нижче, тяга нижче - знадобиться повна переробка ракети (з падінням корисного навантаження), щоб замість РД-180 поставити п'ять Мерлінів.
А як же Маск та його чудові ракети?
Держконтракти – штука тонка. А ракета досить молода. Тому тендер на розробку корабля та доставку вантажів до МКС виграли, а ось на запуск військових супутників (інші вимоги до надійності та маси) не вийшло. Але це суто моя думка, у вас може бути інша.
Отже, що ми бачимо в результаті?
США купують українські ракетні двигуни, боце найефективніші двигуни на гасі, і при цьому дешеві. Однак і свої двигуни у США також є і використовуються.