Насколько идеален ракетный двигатель Raptor: полный разбор
Многие эксперты считают, что Raptor, созданный компанией SpaceX для сверхтяжелой ракетно-космической системы Starship, — вершина инженерной мысли в области жидкостных ракетных двигателей. Его уникальность и высокие характеристики объясняются сочетанием схемы, передовых технологий и амбициозных целей. Разработчики хотят создать систему для межпланетных миссий, в том числе колонизации Марса. Эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев разобрался, заслуживает ли этот двигатель такую высокую репутацию.
Рабочий цикл двигателя Raptor
В традиционных двигателях замкнутой схемы «газ — жидкость» только часть топлива сжигается в одном газогенераторе. Горение происходит при неоптимальном соотношении компонентов (чтобы температура сгорания была умеренной), полученные газы раскручивают турбонасос и затем поступают в основную камеру, куда подается также остальная часть топлива. Здесь компоненты дожигаются при оптимальном соотношении, образующиеся раскаленные газы истекают из сопла, создавая тягу.
Между тем Raptor реализует цикл полной газификации компонентов топлива (схема «газ — газ»). В нем — два газогенератора: в одном горючее (жидкий метан) сгорает при большом избытке окислителя (жидкий кислород); в другом — наоборот, небольшая доля окислителя позволяет превратить в газ большую массу горючего.
«Кислый» газ из первого газогенератора крутит турбонасосный агрегат жидкого кислорода, «сладкий» газ из второго — турбонасос жидкого метана. В обоих случаях температура газа перед турбиной остается невысокой, но расход огромен. Газы после турбин поступают в основную камеру, где под большим давлением смешиваются и дожигаются при оптимальном (стехиометрическом) соотношении компонентов.
Полная газификация обоих компонентов увеличивает расход рабочего тела через турбины турбонасосов, что значительно повышает давление в камере сгорания — это ключевое преимущество.
Более того, в отличие от схемы «газ — жидкость», где часть топлива поступает в камеру сгорания в виде жидкой фазы, в схеме «газ — газ» химические реакции горячих газов интенсифицируются, обеспечивая высокую полноту сгорания, что еще более увеличивает удельный импульс по сравнению с аналогичными двигателями других схем.
Рабочие процессы в камере происходят при высоком давлении (Raptor уже достиг значения в 300 атм, превзойдя по этому показателю все летающие двигатели), а потери тяги за счет неоптимального использования топлива сведены к минимуму. Благодаря этому достигается рекордный удельный импульс для системы на углеводородном горючем: 330–350 секунд на уровне моря и около 380 секунд — в вакууме. Высокое давление в камере позволяет создавать компактные двигатели с рекордным соотношением тяги к весу.
Благодаря разделению потоков и более низким температурам в газогенераторах турбины работают при более благоприятных тепловых условиях, что уменьшает износ лопаток, продлевает срок службы турбонасосов, повышает надежность и упрощает повторное использование всего изделия. Raptor — первый двигатель полного цикла газогенерации, доведенный до летного использования. Эта схема считается настолько сложной, что до этого лишь два двигателя в истории — советский РД-270 и американский IPD (Integrated Powerhead Demonstrator) — пытались ее реализовать, но ни один не покинул испытательный стенд. SpaceX удалось преодолеть барьеры, применив для лопаток турбины никель-хромовый жаропрочный сплав SX500 собственной разработки, способный выдерживать экстремальные условия «кислой» среды при давлении в газогенераторе свыше 800 атм.
На каком топливе работает двигатель Raptor
Выбор топливной пары «жидкий кислород — жидкий метан» — еще один фактор, который выделяет Raptor среди конкурентов. Метан, в отличие от традиционного керосина или жидкого водорода, оказался идеальным компромиссом по ряду параметров:
плотность и компактность. Метан (422 г/л) менее плотный, чем керосин (813 г/л), но значительно плотнее водорода (71 г/л). Это позволяет создавать топливные баки разумного размера, что снижает массу ракеты по сравнению с водородными системами, где требуются огромные резервуары для горючего (как, например, у носителя Delta IV). Соотношение окислителя к горючему (3,7:1 для кислорода и метана) также делает баки для метана лишь на 40% больше, чем для керосина, что в данном случае приемлемо.
чистое сгорание. В отличие от керосина, метан при горении не оставляет сажи или кокса в газогенераторах, камерах сгорания и в горячих полостях газоводов, что критично для цикла с обогащением смеси горючим. Отсутствие нагара снижает износ двигателя и упрощает его повторное использование, что идеально для амбициозных планов SpaceX по многоразовым запускам.
условия хранения. Температура кипения метана (-162° С, или 111 К) близка к температуре жидкого кислорода (90 К), что позволяет использовать общую перегородку (днище) между баками. Не нужен межбаковый отсек, масса конструкции ракеты снижается. В отличие от водорода (20 К), метан легче хранить, особенно в условиях длительных межпланетных полётов, где низкая температура водорода создаёт проблемы с испарением.
производство на Марсе. Метан можно синтезировать из марсианской атмосферы и местного льда или привозного водорода, через процесс Сабатье — реакцию водорода с диоксидом углерода (CO₂) при повышенной температуре и давлении в присутствии никелевого катализатора. С точки зрения разработчиков, это делает Raptor идеальным для миссий на Марс, так как топливо для обратного полёта можно производить на месте, минимизируя необходимость транспортировки топлива с Земли.
Таким образом, жидкий метан представляет собой «золотую середину» между эффективностью водорода и практичностью керосина, что делает Raptor универсальным для миссий как на орбиту, так и на другие планеты.
Тяга двигателя Raptor
Двигатель Raptor-2, который сейчас устанавливается на системе Super Heavy — Starship, развивает тягу около 230 тонн на уровне моря, что значительно больше, чем у Merlin-1D (86 тонн) с первой ступени ракеты Falcon 9, и сравнимо с другими современными однокамерными двигателями, такими как BE-4 (250 тонн) или РД-191М (217 тонн).
Однако его соотношение тяги к весу (144:1) уступает только Merlin-1D (198:1), но превосходит RS-25 (73:1) и РД-191М (98:1). Это делает мощный Raptor компактным, что особенно важно для многоразовых ракет, таких как Starship, где минимизация «мертвой» массы критически важна.
Многоразовость и безопасность двигателя Raptor
Одной из ключевых целей SpaceX является создание полностью многоразовой системы для снижения стоимости космических полетов. Raptor спроектирован с учетом многократного использования (до 50 запусков по планам SpaceX), что достигается за счет:
чистого сгорания метана. Отсутствие коксования уменьшает износ агрегатов и необходимость сложного межполетного обслуживания.
упрощенной конструкции турбонасосов. Цикл полной газификации компонентов топлива снижает требования к уплотнениям, так как обогащённый горючим поток газа контактирует только с горючим, а обогащенный кислородом — только с окислителем, что снижает риск повреждений и аварий.
низкой стоимости производства. Разработчики утверждают, что стоимость изготовления одного двигателя Raptor составляет около $2 млн с потенциалом снижения до уровня Merlin-1D (менее $1 млн). Это делает его экономически выгодным, особенно с учётом многоразовости.
Адаптация двигателя Raptor для межпланетных миссий
Raptor разрабатывался с прицелом на межпланетные полеты, особенно для миссий на Марс. Его характеристики соответствуют требованиям, которые Илон Маск предъявлял к системе Super Heavy — Starship:
высокая надежность. Многочисленные двигатели (33 на первой ступени и 6 на второй) обеспечивают резервирование, что критично для длительных миссий.
долговременное хранение топлива. Близость температур кипения метана и кислорода снижает массу конструкции бакового отсека и упрощает хранение топлива в космосе.
производство топлива на Марсе. Возможность синтеза метана из марсианской атмосферы делает Raptor ключевым элементом стратегии SpaceX по созданию устойчивой марсианской инфраструктуры.
Историческая значимость и технологический прорыв Raptor
Raptor — это не просто двигатель, а символ инженерного прорыва, достигнутого частной компанией. До него цикл полной газификации компонентов (схема «газ — газ») считался труднодостижимым из-за проблем синхронизации процессов в газогенераторах и камере, сложности разработки турбонасосов и материалов, способных выдерживать экстремальные условия.
Компания SpaceX не только воплотила эту концепцию, но и вывела ее на готовый к полетам уровень. Испытания Raptor на Starhopper и его интеграция в Starship демонстрируют, что SpaceX по уровню надежности приближается к конкурентам, таким как Blue Origin с их BE-4, а по удельным характеристикам двигателя даже опережает их.
Сравнение Raptor с другими двигателями
Разработчики считают Raptor лучшим по сравнению с другими двигателями. Попробуем разобраться, так ли это:
Merlin-1D (SpaceX): кислородно-керосиновый двигатель открытого цикла с высокой надежностью (99,9%), отличным отношением тяги к весу (198:1), но меньшей эффективностью по топливу (удельный импульс – 282 с на уровне моря и 311 с в вакууме). Не подходит для организации транспортной системы для межпланетных полётов.
RS-25 (Aerojet-Rocketdyne): кислородно-водородный двигатель замкнутого цикла с турбонасосами, работающими на «сладком» газе, с высочайшей эффективностью по топливу (удельный импульс 366–452 с), но низким соотношением тяги к весу (73:1), высокой стоимостью ($50 млн) и сложностью межполетного обслуживания (разработка 1970-х годов).
РД-191 (НПО Энергомаш: кислородно-керосиновый двигатель замкнутого цикла с турбонасосом, работающим на «кислом» газе, с высокой тягой (217 тонн) и давление (257 атм), но не производится в США.
BE-4 (Blue Origin): кислородно-метановый двигатель замкнутого цикла с турбонасосом, работающим на «кислом» газе, с высокой тягой (250 тонн), высокой эффективностью по топливу (удельный импульс 310 с на уровне моря и 340 с в вакууме), но «менее амбициозный» (многоразовость только в потенциале).
F-1 (Rocketdyne): кислородно-керосиновый двигатель открытого цикла с высокой надежностью (99,9%), огромной тягой (690 тонн), но низкой эффективностью по топливу (удельный импульс 263 с на уровне моря и 304 с в вакууме) и отсутствием многоразовости. Двигатель первой ступени «лунной» суперракеты Saturn V, в настоящее время не производится; воспроизведение проекта с использованием современных технологий не представляется возможным.
У рассмотренных однокамерных двигателей Raptor выигрывает за счет баланса: он не самый мощный (уступает F-1), не самый эффективный (уступает RS-25), но сочетает высокую тягу, эффективность, многоразовость и низкую стоимость, что делает его идеальным для своих задач.
Двигатель Raptor — идеал или нет
Двигатели семейства Raptor, которыми в настоящее время оснащается система Super Heavy — Starship, проходящая сложный этап летных испытаний, не являются универсально лучшими для решения любых задач. Сейчас Raptor не самый надежный (случаются отказы), не самый экономичный (RS-25 превосходит его по удельному импульсу) и не самый мощный (F-1 превосходит его по тяге).
Однако для амбициозной цели SpaceX — создания многоразовой межпланетной транспортной системы — Raptor идеален. Разработчикам нужен был компактный полностью управляемый двигатель с высокими удельными характеристиками для применения в составе многодвигательной (свыше 30 агрегатов) установки первой ступени (бустера) своей системы. Кажется, компания SpaceX преодолела «проклятье Н-1» (ложная невозможность синхронизации работы первой ступени, включающей 30 или более двигателей).
Способность сочетать высокую тягу, управляемость, возможность повторного включения в полете, рекордное давление, многоразовость, чистоту сгорания и возможность производства топлива на Марсе делает его уникальным.
Более того, SpaceX продолжает совершенствовать свое детище, и его текущие показатели — лишь начало. Если двигатель достигнет целевых значений по давлению и частоты применения, он, по мнению разработчиков, «установит новые стандарты в ракетостроении».
По мнению ряда экспертов, Raptor — это не просто инженерный шедевр, но и воплощение мечты о доступном космосе и колонизации Марса. Илон Маск считает, что эта разработка — лучшее доказательство того, что смелые идеи и инновации могут переписать правила игры в космической индустрии…
В ходе последнего, десятого полета Starship инженеры SpaceX сымитировали отключение на ускорителе Super Heavy одного из трех двигателей Raptor. Рассказали, зачем это нужно было и как прошли летные испытания.
