Холодный газ, пламенное сердце: прорывной потенциал и проблемные задачи «Амура-СПГ»
Ракетно-космический центр (РКЦ) «Прогресс» ведет активную разработку многоразовой метановой ракеты «Амур-СПГ». Для этого специально создано отдельное проектное бюро, сообщил первый замглавы предприятия Равиль Ахметов. По его словам, специалисты уже проводят эксперименты, связанные с посадкой первой ступени будущего носителя. Какие проблемные задачи стоят перед «Амуром-СПГ», что известно о двигателе ракеты, в чем преимущества метана перед другими видами горючего и какие еще инновационные решения используются при создании носителя — в новой статье Pro Космос.
Минувшим летом, 29 августа, глава Роскосмоса Юрий Борисов осмотрел производственные площадки самарского РКЦ «Прогресс» и провел совещание с руководством предприятия, посвященное, в том числе, проекту «Амур-СПГ». При реализации этой важнейшей и технологически сложной российской разработки объединены сразу несколько инноваций, не характерных для отечественного ракетостроения.
Во-первых, это использование в качестве горючего сжиженного природного газа (СПГ), о чем говорит название космического ракетного комплекса. Во-вторых, основной критерий при проектировании — минимальная стоимость пуска. В-третьих, многоразовая первая ступень с высокой (30 полетов) кратностью использования.
Новое горючее
Природный газ является доступным и экологически чистым горючим. Имея в составе метан (на 70—98%) и более тяжелые углеводороды — гомологи метана (этан, пропан, бутан и пентан) и малую толику веществ, не являющихся углеводородами (водород, сероводород, углекислый газ, азот, гелий и другие инертные газы), можно надеяться, что при полном сгорании природного газа в кислородной среде образуются только углекислый газ и водяной пар — чистый выхлоп с высокой скоростью истечения сгоревших газов.
В качестве ракетного горючего метан рассматривался более ста лет назад, но до практического освоения прошли десятилетия из-за... невысокой актуальности применения.
В самом деле: еще недавно ракетчиков интересовала максимальная эффективность компонентов топлива: чем выше удельный импульс и плотность, тем лучше. Метан же отмечался как горючее несложное в освоении, но с невысокой энергетикой — удельный импульс пары «жидкий кислород — жидкий метан» был заметно ниже, чем у кислородно-водородной композиции, хотя и несколько лучше, чем у пары «кислород — керосин». Недостатками метана считались низкая температура кипения -162℃ и относительно малая плотность — вдвое ниже, чем у керосина.
Тем не менее к концу 1980-х годов интерес к метану как ракетному горючему заметно вырос, что было связано с достоинствами, которые ранее оставались за скобками. Как охладитель метан лучше керосина — у него прекрасный хладоресурс, он термически не разлагается при довольно высоких температурах (в жидкой фазе не появляется твердого компонента), что открывает путь к многоразовости двигателя.
На это же работает и то, что криогенный компонент быстро испаряется из полостей двигателя после полета, что делает ненужной процедуру очистки (для керосина она необходима). В отличие от жидкого водорода, вызывающего охрупчивание металлов при длительной эксплуатации, метан не оказывает вредного воздействия на конструкционные материалы.
Невысокую плотность метана можно компенсировать повышенным соотношением окислитель — горючее в смеси, которое лежит в диапазоне 3,4…3,6 к 1, тогда как соотношение кислород — керосин составляет 2,3…2,7 к 1. А небольшая разница рабочих температур жидкого кислорода и жидкого метана (пара десятков градусов) играет «в плюс», упрощая конструкцию ракеты и позволяя использовать совмещенные днища баков окислителя и горючего без теплоизоляции.
Наконец, как говорилось выше, жидкий метан входит в качестве основы в ископаемое топливо — природный газ. Последний дешевле ракетного керосина — продукта термокрекинга нефти. Конечно, приходится подбирать состав СПГ со стабильной долей метана, но это некритично. Для одноразовых ракет затраты на топливо составляют от долей до пары процентов в стоимости пуска. Однако для многоразовых носителей «удельный вес» топлива в стоимости пуска вырастает на порядок, а то и больше.
Для России крайне важно, что технологии производства, транспортировки и хранения СПГ давно отлажены, и внедрение метановой инфраструктуры на космодроме не должно вызвать проблем.
Суммируя, можно сказать, что метан перспективен, в первую очередь, для вновь разрабатываемых многоразовых средств выведения. Неудивительно, что интерес к нему резко вырос, и в конце XX века в мире начались научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по метановым двигателям. В России работоспособные прототипы изделий, прошедшие, в том числе длительные стендовые испытания, созданы в подмосковном КБхиммаш и в воронежском КБхимавтоматики.
К сожалению, реализация потенциала ранее проведенных разработок стала возможна у нас только после того, как за рубежом совершили полет кислородно-метановые ракеты-носители, такие как китайская «Чжуцюэ-2» и американские Vulcan и Starship. Проектом, который призван вернуть страну в число лидеров по данной тематике, должен стать «Амур-СПГ».
«Амур-СПГ» — прорывной проект российского ракетостроения
Проектирование ракеты-носителя с двигателями на СПГ ведется в самарском РКЦ «Прогресс». Эскизный проект закончен, а в марте 2023 года с предприятием заключен госконтракт на техническое проектирование космического ракетного комплекса «Амур-СПГ». На этой стадии на основании эскизного проекта и материалов его защиты будет выпущен комплект технической документации.
Основным требованием к проектированию является снижение стоимости изготовления и эксплуатации носителя. Размерность нового носителя выбрана такой, чтобы сходу заменить «Союз-2»: в многоразовом варианте «Амур-СПГ» выведет на низкую околоземную орбиту свыше 10 т, а в одноразовом — 12 т полезного груза. Необходимость в замене постепенно назревает: основа носителя — довольно «возрастная» «Семерка», созданная на технологиях 1950-1960-х годов, которые уже не снижают затраты, а служат препятствием для роста характеристик и развития средства выведения.
Изготовление трехступенчатой «Семерки» предусматривает обилие ручных операций и использования множества составных частей из-за сложной и не всегда технологичной конструкции. «Амур-СПГ» имеет две ступени простой цилиндрической формы. Для изготовления ракеты необходимы 2000 деталей и сборочных единиц, тогда как для «Союза-2» — 4500.
Для нового носителя на космодроме Восточный будет создана упрощенная наземная инфраструктура с автоматизированным стартом, обслуживаемым минимальным пусковым расчетом, гораздо менее затратная, чем для ракет предыдущих поколений.
«Амур-СПГ» с полным основанием можно назвать прорывным проектом российского ракетостроения. Заместитель генерального директора Роскосмоса по космическим комплексам и науке Александр Блошенко так охарактеризовал работу: «Мы пошли на определенный эксперимент, убрав военные составляющие из тех требований, которые исторически, с 60-х годов, предъявлялись к этим носителям, развязав руки конструкторам… На самом деле нам абсолютно все равно, какая будет ракета, хоть квадратная в сечении. Нужно только, чтобы [конструктор] обеспечил три параметра — стоимость пусковой услуги, массу, которую должен носитель выводить на заданную орбиту, и надежность».
«Пламенное сердце» новой ракеты — принципиально новый РД-0169А, макет которого воронежское КБхимавтоматики впервые представило на форуме «Армия-2023». Изначально рассчитанный на десятикратное применение, двигатель выполнен по стандартной для России высокоэффективной схеме с дожиганием окислительного генераторного газа, развивает тягу 100 тс на уровне моря и 110 тс в вакууме. Пять РД-1069А в «атмосферном» исполнении, установленные на первой ступени «Амура-СПГ», обеспечат не только старт и выведение носителя, но и возвращение и мягкую посадку ракетного блока. На второй ступени стоит один РД-0169В в высотном исполнении.
В КБхимавтоматики выполнено эскизное проектирование РД-0169. На предприятии провели модельные испытания по исследованию процессов зажигания и смесеобразования, осуществили автономные доводочные проверки отдельных узлов и агрегатов опытного образца двигателя. Прототип двигателя — стендовый РД-0177М — готовится к первым прожигам.
Многоразовость, посадка и применение: проблемные задачи «Амура-СПГ»
Как и перед любой сложной инновацией, перед «Амуром-СПГ» стоят проблемные задачи. Во-первых, многоразовость как бизнес-кейс не имеет однозначного решения: иногда она полезна, а иногда вредна. Экономические эффекты от многократного применения ракетно-космических средств проявляются при ритмичном грузопотоке на орбиту, требующим высокой интенсивности полетов — чем чаще, тем лучше, а также облике производства и эксплуатационных издержках. Точное значение годовой частоты миссий, достаточной для того, чтобы экономия на пусках превысила затраты на создание и эксплуатацию усложненных и дорогих многоразовых носителей, можно получить только на практике: теоретические расчеты имеют высокий разброс.
Например, для компании SpaceX многоразовость — это единственный способ решить задачу создания мегасозвездия Starlink: завод в Хоторне рассчитан на выпуск 20-25 комплектных ракет Falcon 9, а для развертывания необходимой спутниковой группировки надо выполнять по полторы сотни пусков в год!
А вот европейцы до сих пор точно не определились, нужна им многоразовость или нет. Так, глава программы Ariane 6 в ArianeGroup Патрик Бонгуэ в 2018 году заявлял: «Мы все еще не поняли, удастся ли сэкономить деньги за счет повторного использования? По крайней мере, с нашей-то частотой пусков? Мы надеемся выполнять 12 пусков в год. Если можно будет использовать [матчасть] повторно 12 раз, это означает, что ее надо произвести всего один раз в год». Пока европейцы решили опробовать повторное использование на маломасштабных демонстраторах, чтобы определить выгоды и недостатки опытным путем.
Для того чтобы «Амур-СПГ» стал экономически эффективен, для него надо подобрать задачи, оправдывающие вложения в технологии повторного использования. Это может быть развертывание и восполнение орбитального сегмента многоцелевой спутниковой системы «Сфера», для чего новый носитель должен быть быстро готов к эксплуатации.
Еще одна проблемная задача — посадочная инфраструктура, обеспечивающая быструю оборачиваемость многоразовых первых ступеней. Американцам повезло — все их космодромы расположены вблизи океанского побережья, и сложностей с полями падения отработавших ступеней нет. Соответственно, и первую ступень можно сажать в океан на самоходные платформы, либо возвращать в район старта, оптимизируя вариант для требуемой грузоподъемности миссии.
У России таких космодромов нет, поэтому многоразовую ступень придется сажать либо в районе стартового комплекса, потеряв треть полезной нагрузки, либо по трассе полета. В последнем случае за сотни километров от космодрома требуется организовать посадочную площадку со службами транспортировки и техобслуживания. Первичные работы и деактивацию ступени, несомненно, можно организовать и в точке посадки. Но доставка ступени из точки посадки — это проблема. Здесь возможны два варианта: вывоз вертолетами типа Ми-26 (дорого и рискованно: ракетный блок надо везти на внешней подвеске с сопутствующими воздействиями погодных факторов) или прокладывание железнодорожной ветки (автодороги) от посадочной площадки до космодрома.
Есть и чисто технические проблемные задачи, ранее в России не решавшиеся. Среди них — многократное включение кислородно-метановых двигателей большой тяги. По опыту ракеты Falcon 9 выведение, возвращение и мягкая посадка требуют трех-четырех включений части двигателей первой ступени. Здесь может пригодиться отечественный опыт многократного запуска двигателя 11Д58М на кислородно-углеводородном топливе тягой 8 тс, установленного на разгонном блоке «Д», применяющемся в составе ракет-носителей «Протон-М» и «Ангара А5».
Несомненно, все проблемы разрешаемы. В случае успеха у России появится новая «рабочая лошадка» для решения широкого спектра космических задач.
