В космос на перекиси: что такое двигатель Вальтера, как он попал в СССР и как применяется сегодня
Испанский стартап Arkadia Space объявил об успешных испытаниях на орбите своего ракетного двигателя DARK, использующего в качестве топлива перекись водорода. Как уточнили в компании, им удалось выполнить несколько включений двигательной установки на спутнике ION. Испытания прошли успешно. Что представляют собой двигатели на перекиси водорода, кто их придумал, в чем их преимущество и где они могут применяться — в материале Pro Космос.
Немного истории
Перекись водорода (H2O2) — это неорганическое соединение, простейший представитель класса пероксидов. По своей сути перекись водорода — это «вода», но с одним отличием: в ее молекуле не один, а два атома кислорода. В быту водяной раствор перекиси с концентрацией 3-10% используется для обеззараживания и очищения различных поверхностей, обработки посуды, отбеливания и очистки тканей, удаления нагара и других загрязнений. Использование высококонцентрированной (85-98%) перекиси водорода в качестве ракетного топлива или компонента топлива обусловлено ее физическими и химическими свойствами, а также особенностями применения.
По сравнению с традиционными видами жидкого топлива, которые обычно используются в ракетных двигателях, высококонцентрированная (более 85% по массе) перекись водорода как окислитель в паре с углеводородами имеет меньшую температуру сгорания и худшую теплотворную способность, чем пара «жидкий кислород — керосин». Однако перекись может храниться, не испаряясь, при нормальной температуре.
Кроме того, выхлоп при горении смеси «керосин — перекись», считается более «чистым» и меньше воздействует на окружающую среду, чем выхлоп смеси «жидкий кислород — керосин». Кроме того, под действием катализаторов концентрированная перекись водорода разлагается со значительным выделением тепла, образуя смесь водяного пара и газообразного кислорода — то есть может служить в качестве однокомпонентного топлива.
В ракетной промышленности перекись водорода начала использоваться с середины 1930-х годов в Германии. Первым применять это вещество в качестве однокомпонентного топлива или окислителя предложил немецкий инженер-изобретатель Гельмут Вальтер. Именно он разработал тип воздухонезависимого двигателя для подводных лодок и торпед, идея которого пришла к нему во время работы на верфи в Киле. Разработку, которая была запатентована в 1925 году и расширена (в том числе до газогенераторов и ракет), назвали двигателем Вальтера.
Он работал следующим образом: высококонцентрированная перекись водорода разлагалась на катализаторе (как правило, им выступал перманганат натрия, калия или кальция, в некоторых случаях пористое серебро), вследствие чего выделялось тепло и смесь водяного пара и газообразного кислорода («парогаз»), температура которой достигала 700–800°С. Силовая установка с таким двигателем, не нуждающимся в атмосферном кислороде, применялась в военной технике разного назначения: в турбинах подводных лодок, стартовых ускорителях, самолетах-истребителях, управляемых авиабомбах. Она не отличалась высокой экономичностью, уступая двигателям на двухкомпонентном топливе, но была проста по конструкции и не сложна (при соблюдении некоторых правил техники безопасности) в использовании.
В 1950-х годах технологию перенял СССР, и произошло это благодаря работам советских специалистов в оккупированной зоне Германии, где осуществлялся поиск ракетных технологий с последующим вывозом трофеев на территорию Советского Союза. Немцы применяли перекись для привода турбонасосного агрегата первой дальней баллистической ракеты А-4 («Фау-2»), а также в ракетных двигателях самолета-перехватчика Me-163.
Есть и другая версия о том, что перекись попала в СССР благодаря одному из заместителей Вальтера — Францу Статецки. После Второй мировой войны он был вывезен группой «технической разведки» под руководством адмирала Леонида Коршунова из Германии вместе с военными технологиями фирмы «Брюнер-Канис-Рейдер» — она была смежником в изготовлении турбинных установок Вальтера.
Благодаря этому сотрудничеству двигатель Вальтера начали внедрять на советских подводных лодках. И первой субмариной с такой установкой стала С-99 (проект 617), ее создали в 1951 году, но потом проект закрыли с развитием атомного подводного флота.
В советской ракетной технике перекись применялась как для привода турбонасоса в ракетных двигателях РД-107/РД-108 нижних ступеней ракет-носителей семейства Р-7, а также в микродвигателях системы управления ориентации первых кораблей «Союз» (7К-ОК). Сейчас перекисные двигатели используются в системе управления спускаемого аппарата «Союзов».
С середины 1950-х годов в НПО Энергомаш стартовали широкомасштабные работы по поиску наиболее перспективных вариантов топливных композиций. Для окислителя, которым выступала как раз та самая перекись водорода с концентрацией 98%, выбирали разные типы горючего. В конечном итоге, в начале 60-х годов на предприятии началась разработка высотного двигателя РД-502 тягой 10 тс на топливной паре «перекись водорода — пентаборан».
Сначала комплекс экспериментов проводился на модельных камерах сгорания в научно-исследовательских институтах СССР, а затем — уже на полноразмерных экспериментальных камерах на территории Приморского филиала НПО Энергомаш. Всего там было проведено около 130 испытаний, итоги которых подтвердили реальную возможность создания такой установки. Причем удельный импульс двигателя был 380 сек, что превышало показатели всех ранее освоенных высококипящих топлив, а также кислородно-керосинового топлива.
В начале 1970-х годов работы на предприятии продолжились. Велась разработка двигателя РД-510 на перекиси водорода и керосине массой 12 тс. Его планировалось установить на блок мягкой посадки и взлета лунного ракетного комплекса Н1-Л3М, но в связи с прекращением лунной программы в 1974 году работы были продолжены как научно-исследовательские, а затем и вовсе приостановлены в конце 70-х. Тогда НПО Энергомаш переключилось на кислородно-керосиновые двигатели РД-170/171 и РД120.
Как идею двигателя Вальтера применяют сегодня
Так или иначе, советским инженерам удалось создать весомый научно-технический и конструкторский задел. При необходимости они вполне могли разработать двигатель на перекиси водорода в довольно сжатые сроки. На тот момент перекись признавалась весьма перспективным компонентом с точки зрения его стоимости и эффективности. На разработку такого двигателя требовалось меньше времени, чем на двигатели на жидком кислороде и керосине. Предполагалось, что затраты на создание ракет с такими силовыми установками будут относительно невысокими и позволят минимизировать работы по подготовке к запуску.
Кроме того, топливная пара «перекись водорода — керосин» имеет одну из самых высоких плотностей (около 1270 кг/м3). Это гарантирует компактность конструкции ракеты. С тех пор по целому ряду причин интерес в мире к перекиси водорода поугас, хотя, как показывает практика, ее продолжают задействовать в ряде проектов.
В прошлом году стало известно, что разработкой двигателя на перекиси водорода занимаются и в России. Отмечалось, что этот силовой агрегат предназначен для использования в возвращаемом аппарате пилотируемого космического корабля нового поколения (ПТК НП). Созданием двигателя занимается Ракетно-космическая корпорация «Энергия», а важнейший компонент для него — электрогидроклапан, — а также детали и узлы разрабатывает НИИМаш. Кроме того, предприятие занимается сборкой и испытаниями пероксидных двигателей.
Испанская разработка
О проведении успешных испытаний двигательной установки DARK, которая включает в себя двигатель с тягой в пять ньютонов, в стартапе Arkadia сообщили 9 июня. Система установлена на малом космическом аппарате ION от D-Orbit, выведенном на орбиту в марте. Как уточнили в испанской компании, двигательная установка выполнила как сотни коротких импульсов, длившихся десятки миллисекунд, так и более продолжительные запуски продолжительностью до пяти секунд.
Исполнительный директор Arkadia Space Франчо Гарсия пояснил, что главной целью этих тестов было сравнить характеристики двигателя в космосе с его показателями во время наземных испытаний. «Мы обнаружили, что они в точности совпадают. Честно говоря, это превзошло наши ожидания», — признался Гарсия. По его словам, двигатель DARK является полезной нагрузкой аппарата ION и не входит в собственную двигательную систему последнего, поэтому испытания нужно было согласовать с D-Orbit.
Обе компании подтвердили, что их сотрудничество оказалось продуктивным. «Мы гордимся тем, что система DARK от Arkadia Space была установлена на нашем спутнике ION, — отметил вице-президент D-Orbit по коммерческой стратегии Маттео Андреас Лоренцони. — С самого начала работать с командой Arkadia было настоящим удовольствием, и каждый этап нашего сотрудничества был гладким и плодотворным».
В свою очередь Гария добавил, что стартап Arkadia планирует продолжить испытания двигательной установки в течение года: все будет зависеть от состояния двигателя и оставшегося топлива. Дальнейшие тесты, по его словам, позволят оценить, насколько система эффективна в долгосрочном плане.
В целом же первые летные испытания двигателя DARK на перекиси водорода — важная веха не только для Arkadia, но и для всего направления по разработке так называемых «зеленых» двигательных установок, которые используют нетоксичные виды топлива в качестве альтернативы гидразину (это вещество, которое при контакте с катализатором разлагается на аммиак, азот и водород, создающие тягу в двигателе; гидразин крайне токсичен).
Как полагает Франчо Гарсия, его стартапу удалось продемонстрировать преимущества «зеленых» двигателей, причем еще на этапе предстартовой подготовки, когда спутник ION готовили к запуску на ракете Falcon 9 в рамках миссии Transporter-13. В частности, речь идет о более простой и менее затратной заправке спутника топливом. «В Ванденберге [база Космических сил США, откуда проводят некоторые пуски Falcon 9 — прим. ред.] мы продемонстрировали, что можем значительно сократить расходы на операции. Для нас это само по себе было успешным достижением», — отметил он.
Простота в обращении — один из ключевых аспектов для разработчиков спутников, особенно для тех, кто хочет участвовать в запусках SpaceX. Как утверждает Гарсия, компания Илона Маска ограничила количество запусков аппаратов с двигателями, работающими на гидразине, из-за протоколов по безопасному обращению и из-за дополнительных расходов. Поэтому многие клиенты SpaceX теперь вынуждены переходить на экологичные технологии.
Интерес к двигательным установкам на перекиси водорода проявляют разработчики ракет-носителей и возвращаемых капсул, добавили в Arkadia. Так, в феврале компания заключила соглашение на поставку двигателя для многоразовой ракеты-носителя, разрабатываемой французским стартапом MaiaSpace.
