Двигатель РД 171 МВ для сверхтяжа лучший в мире

Двигатель РД 171 МВ для нашего сверхтяжа по-прежнему лучший в мире.

Статья опубликована 24.03.19 г. на сайте КОНТ https://cont.ws/@proctotanya/1270063

Добрый день, дорогие читатели! В этой статье я попробую расшифровать новость «Роскосмос показал мощь нового двигателя РД 171 МВ».

Люблю я такие заголовки: «Роскосмос показал видео самого мощного в мире ракетного двигателя».  Читаешь и думаешь – может, я что-то упустила? Может быть, это не в моей альма-матер – Московском Авиационном институте - еще с начала 80-х годов прошлого века на факультет двигателестроения заманивали самых распоследних троечников (остальные не шли, «Двигатели» было сложно и не престижно, то ли дело «Вооружение»)?

Все пришло в такое грустное состояние, что бедный факультет № 2 даже сгорел – 31 марта 2009 года загорелось старое здание, построенное в 1932 г.
 
Сначала оно было деревянным, но в 60-х годах его обложили снаружи кирпичом. Пожар произошел по причине ветхости электропроводки. Высохшее дерево вспыхнуло мгновенно, пожар по пристройке перешел в другой корпус.
 
Из лабораторного корпуса было вынесено 25 баллонов с ацетиленом, азотом и кислородом, а также большое количество упаковок с нитрокраской и химреактивами.

Пострадавших в результате пожара не было, но институту был причинен невосполнимый ущерб: огонь уничтожил уникальное учебное пособие — экспозицию разработанных в разные годы авиационных двигателей. Многие образцы существовали в единственном экземпляре.

А мне больше всего запомнилась лаборатория инструмента. Там был огромный макет сверла – все наглядно, все понятно. Тоже, я боюсь, сгорел.

Погорельцы переехали, как говорили, в новехонькие аудитории ФРЭЛА (факультет радиоэлектроники летательных аппаратов). Радиотехники скрежетали зубами, но что поделать – такое горе, пришлось пустить. В 2012 г. начались работы по восстановлению зданий, и в 2017 г. факультет двигателестроения получил новые корпуса.

Ну так что же? Неужели прорыв? Ведь оставались бауманцы, самарцы, казанцы… Дело в том, что в ракете двигатель – это самое главное. С виду самое важное – это огромный сигарообразный корпус ракеты-носителя. Но это – по сути, всего лишь топливные баки. А двигатели – сердце ракеты. О них можно писать очень много и долго, но давайте освоим хотя бы самые простые понятия.
 
Двигатели для космических полетов должны вырабатывать как можно большую мощность при возможно меньшей массе и объеме. Кроме того, к ним предъявляются такие требования, как исключительно высокая эффективность и надежность, значительное время работы.

По типу используемой энергии двигательные установки ракет-носителей подразделяются на термохимические и ядерные. В настоящее время космические корабли, орбитальные станции и спутники Земли выводятся в космос ракетами, оснащенными мощными термохимическими двигателями.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) еще находятся на стадии развития, но, очевидно, найдут применение на межпланетных аппаратах.

Для преодоления сил притяжения планет телу нужно придать определенную скорость. Придали – полетели – достигли цели.
 
Космические скорости.

Первая космическая скорость – это скорость, необходимая для того, чтобы тело стало спутником планеты (выход на ее орбиту). Для Земли первая космическая скорость составляет 7,9 км/с.

Вторая космическая скорость – это скорость, необходимая для преодоления притяжения Земли и превращения тела в спутник Солнца или другой планеты. Для Земли она составляет 11,2 км /с (а для Солнца, к примеру – 617,7 км/с).

Третья космическая скорость – минимальная скорость, которую необходимо придать находящемуся вблизи поверхности Земли телу, чтобы оно могло преодолеть гравитационное притяжение Земли и Солнца и покинуть Солнечную систему. Для Земли – 16, 65 км/м.
 
Термохимические двигатели на данный момент – самые эффективные. Но чем дальше мы хотим улететь, тем больше топлива нам нужно взять на борт. Какое топливо используется в ракетных двигателях?

Термохимические двигатели делятся на ТТРД (твердо-топливные) и ЖРД (жидкостные).
Обычно окислителем, обеспечивающим сгорание, в двигателе внутреннего сгорания является кислород. Понятно, что в космосе кислорода нет, и его также приходится нести с собой на борту. Практически весь объем занимают окислитель и горючее.
Основное количество топлива и самые мощные двигатели – на 1 ступени, именно она «отрывает от Земли» полезную нагрузку, выводимую в космос.

Посмотрите старт РН «Союз ФГ» с пилотируемым кораблем «Союз МС-12» - какая мощь, сколько энергии! https://youtu.be/zGEqMxmZSxc

В жидкостных термохимических ракетных двигателях в качестве горючего используется спирт, керосин, бензин, анилин, гидразин, диметилгидразин, жидкий водород, а в качестве окислителя – жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота, жидкий фтор. Горючее и окислитель для ЖРД хранятся раздельно, в специальных баках и под давлением или с помощью насосов подаются в камеру сгорания, где при их соединении развивается температура 3000 – 4500 °С.

Продукты сгорания, расширяясь, приобретают скорость 2500-4500 м/с, создавая реактивную тягу. Чем больше масса и скорость истечения газов, тем больше сила тяги двигателя.

Основные характеристики жидких ракетных топлив. Первым указан окислитель, вторым – горючее.

Азотная кислота + Керосин. Плотность – 1400 кг/куб. м. Удельный импульс тяги – 2900 м/с. Удельная теплота сгорания – 6100 кДж/с.

Жидкий кислород + Керосин. Плотность – 1036 кг/куб. м. Удельный импульс тяги – 3283 м/с. Удельная теплота сгорания – 9200 кДж/с.

Жидкий кислород + Жидкий водород. Плотность – 345 кг/куб. м. Удельный импульс тяги – 4164 м/с. Удельная теплота сгорания – 13400 кДж/с.

Жидкий кислород + Диметилгидразин. Плотность –1000 кг/куб. м. Удельный импульс тяги – 3381 м/с. Удельная теплота сгорания – 9200 кДж/с.

Большой удельный импульс тяги создает двигатель, работающий на жидком кислороде и жидком водороде. В реактивной струе этого двигателя газы мчатся со скоростью немногим больше 4 км/с. Температура струи около 3000°С, и состоит она из перегретого водяного пара, который образуется при сгорании водорода в кислороде.

В отличие от диметилгидразина или азотной кислоты, фтора, пара кислород-водород – экологичное топливо. Но водород легко воспламеняется и может взорваться с крайне печальными результатами, а кислород – газ – переходит в жидкое состоянии при температуре – 183 град по Цельсию. Сжиженный кислород легко и быстро испаряется, даже если его хранить в специальных теплоизолированных сосудах. Поэтому нельзя долго держать снаряженной ракету, двигатель которой работает на жидком кислороде. Приходится заправлять кислородный бак непосредственно перед пуском.
 
Эффективность двигательной установки (ДУ) с ЖРД (жидкостный ракетный двигатель) возрастает с увеличением удельного импульса тяги и плотности топлива. Сейчас предъявляется все больше требований к экологической чистоте как самих компонентов топлива, так и продуктов их сгорания. Жидкий кислород и жидкий водород являются наилучшим высокоэффективным, экологически чистым топливом. Однако чрезвычайно низкая плотность жидкого водорода (всего 70 кг/м3) существенно ограничивает возможность его применения. Наилучшими компонентами топлива для ДУ первой ступени являются жидкий кислород и углеводородное горючее. До сих пор в качестве углеводородного горючего (УВГ) чаще всего используют керосин.

На этом топливе и работает РД 171 МВ. Он имеет 4 камеры сгорания. Его размеры: масса – 10300 кг, высота – 4150 мм, диаметр – 3585 мм.
 
Тепловая мощность, выделяемая камерой сгорания – 27 млн кВт – сравнима с мощностью крупной гидроэлектростанции. Этот двигатель – самый мощный в мире: тяга – более 800 тонн, мощность турбины - 246000 лошадиных сил.

Игорь Арбузов, генеральный директор НПО «Энергомаш» говорит, что двигатель создавался в рамках задачи создания РН тяжелого класса на базе ракетных конструкций, имеющих положительный опыт работы.

В начале статьи я написала, что очень обрадовалась, что у нас создали новый, да еще самый мощный ракетный двигатель. Но после изучения вопроса выяснилось, что РД 171 МВ – это доработка и модернизация предыдущего успешного двигателя – РД 171, чьим предшественником был знаменитый РД-170.
 
РД-170 — советский жидкостный ракетный двигатель, разработанный КБ «Энергомаш». Четырёхкамерный двигатель закрытого цикла работает на паре кислород-керосин. Разработан для РН «Энергия».

Он является самым мощным ракетным двигателем на жидких компонентах топлива из когда-либо созданных (имея четыре камеры, он на 2,1—5,65;% мощнее американского однокамерного F-1, устанавливавшегося на первой ступени РН «Сатурн-5», при габаритах, меньших в 1,5 раза, причем РД-170 намного более экономно расходует топливо, поскольку построен по схеме закрытого цикла, в отличие от F-1, использующего более простой, но менее эффективный открытый цикл).

Предназначен для многоразового использования (был аттестован для 10-кратного использования). Базовый вариант использовался на первой ступени РН «Энергия» и «Зенит»; на его основе разработаны двигатели РД-180 (применяющийся на американских РН «Atlas») и РД-191 (для РН «Ангара»).

Двигатель выполнен по замкнутой схеме с дожиганием окислительного генераторного газа после турбины. Компоненты топлива: окислитель - жидкий кислород, горючее - керосин.

Начало разработок – 1973-1974 годы. В 1976 г. было принято решение о создании РН «Энергия» и «Зенит», и далее эти двигатели предназначались для первой ступени – 4 разгонных блоков А (далее «Зенит», который является предшественником разрабатываемой РН «Союз5», она же «Иртыш»).

Многоразовость использования, ремонтопригодность, надежность и безаварийность работы - весь этот комплекс требований к двигателям нового поколения родил целый ряд технических задач, значительная часть которых в отечественной практике встретилась впервые. Прошло всего 7 лет с начала работ, и...

9 июля 1981 г. двигатель впервые проработал полное время на стенде. С середины 1984 г. начались первые поставки двигателей для "Энергии".

Октябрь 1985 г. - третий (первый успешный) пуск РН "Зенит" с двигателем РД-171 в составе первой ступени.

15 мая 1987 г. - первый пуск РН "Энергия" с двигателями РД-170 в составе первой ступени.

15 ноября 1988 г. - второй пуск РН "Энергия" с двигателями РД-170 в составе первой ступени.

Варианты двигателя РД-170 отличаются системой качения и органов управления отклонением камер. Камеры сгорания при управлении ракетой в составе блока А ракеты "Энергия" (РД 170) качаются в радиальных плоскостях, проходящих через продольную ось двигателя, через центр.
 
Такая схема управления более эффективна в структуре пакета ракеты "Энергия", но требует более мощных рулевых машин, которые преодолевают нагрузку, создаваемую набегающим аэродинамическим потоком на выступающую часть сопла камеры.
Камеры сгорания двигателя РД-170 первой ступени "Зенита" отклоняются при управлении в тангенциальной плоскости качения.

Сопла камер не выходят в обтекающий ступень аэродинамический поток и не испытывают его нагрузки. Рулевые машины существенно менее мощные. Эффективность управления такого варианта достаточна для ракеты "Зенит".

Я предлагаю посмотреть старый фильм, рассказывающий об этом двигателе, увидеть его агрегаты, особенности, как он работает. https://youtu.be/F7eJSucFKzs
"Первый двигатель РД-171МВ... собран на подмосковном "НПО Энергомаш" и готовится к огневым испытаниям. По мощности ему нет равных в мире", - написал Дмитрий Рогозин в Twitter 08.02.19 .

РД 171 МВ – это модификация РД-171М (171, 170). Он будет использован в первой ступени новой ракеты-носителя среднего класса «Союз-5» («Иртыш», в прошлом «Зенит») и в первой же ступени будущей сверхтяжелой ракеты «Енисей» для полётов в ближний и дальний космос.

Двигатель РД-171МВ представляет собой модернизированный вариант двигателя РД-171М, отличающийся от прототипа новой системой регулирования, исключающей использование импортных комплектующих, а также рядом технологических и конструктивных решений, отработанных при эксплуатации двигателей РД-180, РД-191 (например, применены дополнительные меры по защите от возгорания). Кардинальных отличий от оригинального двигателя по гидравлической и газодинамической частям не будет.
 
РД-171МВ будет первым двигателем "Энергомаша", подлинником конструкторской документации которого будут не бумажные чертежи, а электронные 3D-модели. На основе электронной документации составляются технологические процессы и управляющие программы для современных многокоординатных станков с числовым программным управлением, что позволяет существенно сократить сроки разработки двигателя, оптимизировать процесс его изготовления и, как следствие, уменьшить общий объем издержек.

Начало огневых испытаний – 2020 г., поставка полностью отработанного двигателя для пилотируемого "Союз-5" – 2023 г.

Из серьезных плюсов – НПО «Энергомаш» обзаведется новым цехом под эти двигатели, новым оборудованием с цифровым управлением.

Я не хочу делать выводы в конце статьи. Предлагаю вам, читатель, сделать их самостоятельно. Дмитрий Рогозин, к примеру, заметил в своем интервью (https://www.roscosmos.ru/26231/): "Если не платить - так и будет долгострой". Интересное интервью, рекомендую посмотреть.

Но одно хочу заметить. Можно сколь угодно прекрасно разбираться в составлении электронной документации (ведь именно это – главное отличие современного двигателя от предшественника 32-летней давности?), но не быть настоящим разработчиком РД. Для того, чтобы стать инженером, нужно разбираться и в физике, и в химии, и в математике. Это как минимум. Знать, как поведет себя топливо в разных условиях, понимать структуру металла, прочностные характеристики конструкций и массу всего остального. Как можно создать новый двигатель, не имея широкого образования? Про профильные классы и про отсутствие предмета «химия» в техническом классе я написала отдельную статью. https://cont.ws/@proctotanya/948412

Кстати, знаменитый РД 180, на котором летает американский «Атлас» - это половинка от РД-170. Вот так.

Благодарю вас за прочтение!

В статье использованы материалы

https://ru.wikipedia.org/
http://engine.space/
http://integral-russia.ru/
https://www.roscosmos.ru
http://www.buran.ru/
http://www.lpre.de/