Ржавеет на болотах: история самого мощного ракетного двигателя США и мира
60 лет назад на стенде заработал Aerojet AJ-260 — самый мощный из испытанных ракетных двигателей. Его создавали для первой ступени ракеты Saturn V, которая использовалась для отправки пилотируемых кораблей «Аполлон» на Луну. Но проект оказался никому не нужен: выбор сделали в пользу другого двигателя, и сегодня AJ-260 затерян в болотах заповедника Эверглейдс. Эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев рассказывает, как проводили испытания этого двигателя, каковы были его возможности и чем все в итоге закончилось.
Советско-американская лунная гонка 1960-1970-х оставила множество артефактов. Некоторые, такие как старты ракет Н-1 и «Энергия» на Байконуре, стали памятниками. Другие, как пусковой комплекс LC-39 на мысе Канаверал, продолжают служить космонавтике.
Однако многие уникальные сооружения и изделия оказались заброшены и забыты. Один из таких артефактов — стенд для огневых испытаний фирмы Aerojet в болотах Южной Флориды. Его внутреннее пространство хранит корпус самого мощного ракетного двигателя, когда-либо созданного человеком.
Где лежат фрагменты двигателя AJ-260
На краю флоридского полуострова в округе Майами-Дейд есть дорога. Она начинается в городке Хоумстед и ведет вглубь национального парка Эверглейдс. Парк расположен в крупнейшем в Северной Америке болоте, где обитают аллигаторы, ядовитые змеи и москиты. Эта дорога, известная как «бетонка», считается природной тропой. Ее проложило Управление водными ресурсами округа Южная Флорида — оно же поддерживает тропу до сих пор.
Когда-то власти махнули рукой на туристов-экстремалов, которые хотели увидеть скрытый от глаз памятник былому величию американского аэрокосмического комплекса. Сейчас «бетонка» свободна для прогулок, но ее перегородили воротами с запретительной табличкой. Обойти их нельзя, но можно по-ковбойски перепрыгнуть.
Если бы вы посетили те места до мая 2013 года, примерно через час ходьбы можно было увидеть группу из девяти заброшенных промышленных сооружений. Пройдя мимо старого бункера с проржавевшей крышей и граффити на стенах, вы бы оказались в огромном «сарае» с вентиляторами и воздуховодами. Это сооружение из гофрированного железа на роликовых опорах когда-то могло перемещаться по направляющим.
Внутри пусто — вандалы разорили все. Под потолком виден 20-тонный мостовой кран, а в центре пола — круг из стальных плит. Один из посетителей описал это место так: «Внутри царит гулкая тишина, нарушаемая лишь свистом ветра через разбитые окна. Ветер гоняет по бетонному полу хлопья ржавчины и мусор, заставляя стены вздрагивать и хлопать. Это — могильная плита, выросшая из болота, останки города-призрака космической эры, где в глубине земли спит чудовищный зверь».
Бросив камень в прореху в полу, нужно долго прислушиваться, чтобы дождаться, как он плюхнется в воду.
Настил скрывает гигантскую шахту диаметром 18 метров, в которую могла бы поместиться 19-этажная высотка. При должной сноровке и альпинистском снаряжении можно спуститься в шахту и увидеть проржавевший цилиндр с надписью «Aerojet General AJ-260». Этот монстр покоится здесь уже более полувека.
Программа Apollo: как выбирали двигатель для полета к Луне
В самом начале 1960-х программа Apollo только формировалась. Одним из главных вопросов стало, какой двигатель выбрать для ракеты, которая должна доставить астронавтов на Луну? Расчеты показывали, что первой ступени ракеты нужна была гигантская тяга — от 4500 до 6000 тонн.
Самый мощный из существовавших на тот момент американских жидкостных двигателей развивал на старте чуть более 60 тонн. Разработка более мощного двигателя уже шла, но сталкивалась с множеством проблем. А вот с твердотопливными двигателями все было иначе.
С конца 1940-х годов США сделали значительный шаг вперед в разработке двигателей на смесевом топливе, на основе которых к началу 1960-х создавались боевые баллистические ракеты Polaris и Minuteman.
Казалось, прогресс сделает твердотопливные ускорители идеальным решением для лунной ракеты. Они были проще, надежнее и дешевле жидкостных аналогов. У них не было движущихся частей, они не страдали от утечек токсичных жидкостей и были менее пожароопасны.
Это делало их удобными для длительного хранения и повышало надежность. Однако у твердотопливных двигателей были и серьезные недостатки: низкий удельный импульс, снижающий экономичность, сложность управления тягой, высокий уровень шума и вибрации, а также токсичные и агрессивные вещества в выхлопе.
Из-за трудностей с транспортировкой создание сверхмощных твердотопливных двигателей пошло двумя путями.
Первый подход предполагал создание двигателей с корпусом, разделенным на небольшие поперечные секции. Эти секции можно было снаряжать топливом на заводе и перевозить к месту старта, где их собирали в единый двигатель. Максимальный диаметр секции — 156 дюймов, или чуть менее четырех метров — был ограничен габаритами американских мостов и тоннелей, через которые эти секции транспортировались по железной дороге. Двигатель (им занималась фирма United Technologies) из таких секций мог развивать тягу около 1500 тонн. Для достижения необходимой стартовой тяги лунной ракеты требовалось соединить в связку три-шесть таких двигателей.
Второй подход подразумевал создание монолитного двигателя с цельным корпусом, который снаряжается твердым топливом на месте испытаний или пусков. Такой корпус транспортировать можно было только водным путем (да и то не по всем рекам — мешали мосты). Зато подход позволял достичь практически любых габаритов и тяги при повышенной герметичности, надежности и более высоком весовом совершенстве. Кроме того, перевозка корпуса без топливного заряда гораздо безопаснее, чем отдельных заранее снаряжённых секций.
Характеристики и конструкция двигателя AJ-260
В 1960 году начались исследования крупногабаритных твердотопливных двигателей. Часто их не совсем корректно называют «пороховиками», поскольку они работали не на порохе. Под «порохом» чаще всего подразумевают гомогенное оружейное метательное взрывчатое вещество на основе нитрата целлюлозы. А к тому времени большинство подобных американских двигателей работали на гетерогенных топливах, состоящих из механической смеси мелко смолотого твердого окислителя, горючего (органического связующего) и различных добавок.
В 1963 году NASA заключило контракты на проектирование двигателя с тягой около 2500 тонн и диаметром 260 дюймов (около 6,6 метра) с двумя компаниями — Aerojet и Thiokol. Эти компании, а также их заводы, серьезно рассчитывали на участие в национальной лунной программе. Хотя у них были и другие проекты, ни один из них не мог сравниться по масштабам и, как тогда казалось, по значимости с программой Apollo.
Почему американцы покинули Луну
В конкурсе победил Aerojet с проектом AJ-260, который курировали специалисты Исследовательского центра имени Льюиса (NASA). По проекту гигантский двигатель должен был иметь длину около 42 метров и весить 1670 тонн в снаряженном состоянии. В зависимости от характеристик горения заряда твердого топлива его тяга могла достигать 2400–3000 тонн. Корпус двигателя сваривался из нескольких десятков кольцевых секций, изготовленных из высокопрочной легированной мартенситной стали с высоким содержанием никеля. Детали, прошедшие старение и термообработку, обладали исключительной прочностью и пластичностью. Контракт на производство корпуса получила компания Sun Ship and Dry Dock из Честера, штат Пенсильвания.
Для строительства объекта, где планировалось снаряжать и испытывать двигатели, компания приобрела более 30 тысяч гектаров земли во Флориде, в 50 километрах к югу от Майами и в 22 километрах северо-восточнее авиабазы ВВС Хоумстед. Чтобы доставлять гигантские двигатели, от промышленной базы до Атлантического океана был прорыт судоходный канал, который назвали Aerojet Canal. Он стал самым южным пресноводным каналом на юго-востоке Флориды.
Национальный парк Эверглейдс был заповедной зоной, и возведение ракетного завода грозило нарушить экологическую гармонию. Однако это был проект государственного масштаба. Регион, в основном сельскохозяйственный, жаждал экономического подъема, а создание крупного промышленного объекта могло принести новые рабочие места и увеличить налоговые поступления в бюджет штата. В результате экологическим аспектам не уделили должного внимания. Правда, для соблюдения приличий объявили, что канал поможет и сельскому хозяйству, защитив фермеров от наводнений. Местные жители были в восторге: «Южная Флорида стала ближе к космосу!»
Когда корпус прибывал на испытательный объект, его опускали в шахту соплом вверх. Внутреннюю теплозащиту наносили прямо на месте, в шахте. В течение нескольких недель топливо, представляющее собой сметанообразную смесь мелких гранул перхлората аммония, жидкого полиуретана и алюминиевой пудры, непрерывно заливали в корпус. Перед заливкой в центр корпуса вставляли профилированный стержень, поперечное сечение которого напоминало по форме лист клевера. Этот стержень убирали после того, как топливо отвердевало. Он создавал внутренний канал, определяющий профиль горения. Сопло длиной более шести метров было покрыто изнутри аблирующей теплозащитой.
Как устроена абляционная защита в космонавтике
Огневые испытания двигателя AJ-260
В рамках разработки AJ-260 планировалось прожечь двигатель «половинного» размера — всего около 25 метров в длину, включая сопло. Даже этот компактный двигатель впечатлял своим весом в 840 тонн в полностью снаряженном виде. Для его запуска использовалась цельная первая ступень ракеты Polaris, выступавшая в роли воспламенителя. Ее устанавливали внутри основного сопла и выталкивали после срабатывания наружу с помощью системы рычагов и тросов после зажигания - поскольку даже после срабатывания ступень весила очень много, расчеты показали, что такой воспламенитель мог застрять в горловине сопла, и двигатель бы взорвался. Поэтому у «рабочего» AJ-260 воспламенитель предполагалось ставить в задней крышке корпуса, где он и оставался бы после срабатывания.
Инженеры изготовили три образца стендовых двигателей, получившие обозначения SL (от Short Length — «укороченная длина»). Их корпуса доставляли в Хоумстед с завода Sun Ship по Береговому каналу вдоль восточного побережья США, а затем переправляли на объект в Эверглейдс на трейлерах.
С 25 сентября 1965 года по 17 июня 1967 года здесь провели три огневых испытания.
Двигатели SL-1 и SL-2 имели одинаковую конструкцию с неподвижным соплом. Во время испытаний они развивали тягу более 1600 тонн при расходе топлива 6,8 тонны в секунду и работали около 112 секунд.
На расстоянии 340 метров от работающего двигателя уровень звукового давления достигал 139 децибел — чуть ниже, чем от взлета реактивного самолета на расстоянии 25 метров! Для сравнения: давление свыше 140 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки, баротравмы и даже представлять угрозу для жизни.
Столб пламени видели даже в Майами (он распространился на расстояние 50 километров). Местного фотографа Джека Леви, который снимал испытания, впечатлило зрелище. «Это было потрясающе. Все вибрировало, когда двигатель работал. Вертолет чуть не потерял управление, когда мы попытались сфотографировать огонь. Ударные волны разлетались так далеко, что я даже не знаю, куда. Но это было действительно впечатляющее зрелище! Казалось, что я уже почти лечу на Луну!» — рассказывал Леви.
Кстати, на ночных испытаниях SL-2 присутствовал сам Вернер фон Браун. Он отвечал за разработку ракет-носителей семейства Saturn.
Как Илон Маск позаимствовал идею Вернера фон Брауна
SL-3 был похож на предшественников, но имел важные отличия. У него было частично утопленное качающееся сопло больших размеров и новое топливо с ускоренным горением. При запуске он развил тягу в 2700 тонн при расходе 10 тонн топлива в секунду.
Испытания длились всего 75 секунд, после чего сопло разрушилось, и остатки топлива разлетелись на многие сотни метров по болотам Эверглейдс. Дождь из соляной и акриловой кислоты, который выпал из облака продуктов сгорания, повредил автомобили и уничтожил урожай авокадо на тысячи долларов. Жители Хоумстеда жаловались на убытки.
На этом все закончилось. Вернер фон Браун не случайно не пришел на последний тест. К тому времени он уже выбрал для ракеты Saturn 5 жидкостные двигатели. Если бы SL-З показал хорошие результаты в 1963–1964 годах, возможно, фон Браун изменил бы свое решение.
Судьба объекта для испытаний двигателя AJ-260
Дальнейшая история оказалась не самой приятной. Штат и округ надеялись на долгосрочное сотрудничество с Aerojet, которая арендовала землю за символическую сумму — всего $2,5 за акр. У компании также был опцион на покупку еще 25000 акров по той же цене. Строительство канала тоже потребовало затрат.
В свое время Эверглейдс и Служба национальных парков почти не возражали против расположения ракетного завода в природоохранной зоне. Местные жители встретили компанию с энтузиазмом. Но после прекращения работ над AJ-260 завод закрылся, всех сотрудников уволили. Aerojet продала свои земли и сооружения и покинула Южную Флориду. При этом компания не потеряла денег: большая часть земли перешла к местной фирме-застройщику. После неудачной попытки использования участок перепродали штату, но уже за $12 млн. Таким образом, земля, которая изначально стоила Aerojet менее $200 тыс., в итоге вернулась во Флориду с шестидесятикратной стоимостью.
Судебная тяжба между компаниями и властями штата длилась несколько лет. Сельская жизнь вернулась к привычному ритму. Экологи выразили недовольство каналом: после его создания вода, которая раньше свободно текла в Флоридский залив, теперь собирается и сбрасывается в другом месте.
В феврале 2010 года городской совет Хоумстеда поддержал идею возрождения заброшенного стендового комплекса Aerojet в качестве нового ракетного завода. Это решение казалось абсурдным, но мэр настаивал на его реализации, обещая новые рабочие места.
Когда «не выгорело», появились планы превратить объект в музей, но из-за отсутствия финансирования и ресурсов эта идея не осуществилась. Космическая реликвия осталась заброшенной и затерялась в болотах.
В мае 2013 года Управление водными ресурсами округа Южная Флорида демонтировало сарай над шахтой с останками двигателя SL-3. Саму шахту закрыли бетонными опорами моста, и будущее заброшенного комплекса осталось неопределенным.
Удивительно другое: испытания AJ-260 подтвердили возможность создания монолитного твердотопливного двигателя любого размера и мощности. Был накоплен значительный опыт в таких областях, как проектирование качающегося сопла для управления вектором тяги, конфигурация топливного заряда, новые виды смесевого топлива и абляционных покрытий. Однако, по большому счету, проект к тому времени стал никому не нужен и обернулся пустой тратой денег налогоплательщиков.
В дальнейшем судьба не была благосклонна к Aerojet: компания часто оказывалась на вторых ролях в крупных космических программах, ограничиваясь производством и поставкой небольших ракетных двигателей и ускорителей. В начале 1970-х Aerojet проиграла тендер на разработку и производство стартовых ускорителей для шаттла, уступив своему конкуренту Thiokol. Недавно компания снова потерпела неудачу, не получив контракт на поставку жидкостных двигателей для новой ракеты-носителя Vulcan. На этот раз победителем стала Blue Origin с ее двигателем ВЕ-4.
Сегодня бывшие сооружения промышленно-испытательного комплекса Aerojet трудно отличить от множества обычных заброшенных зданий.
В числе жидкостных ракетных двигателей одним из самых мощных является Raptor, созданный для Starship. Некоторые эксперты называют его идеальным. Выяснили, так ли это на самом деле.
