Почему США покупают российские ракетные двигатели РД-180?

Пишет: Konstboyarov
Почти в каждом посте про Илона Маска непременно возникает вопрос: "Если американцы такие крутые, то почему они покупают российские ракетные двигатели?".
Попробую на него ответить.

Сначала немного теории. Единственный тип двигателей, который способен оторвать ракету от Земли и разогнать до нужной скорости — это жидкостный ракетный двигатель (ЖРД). Да, про твердотоплиыные я помню, но серийно они применяются только в связке с жидкостными.

Характеристик у ЖРД много, однако нас в данном случае интересуют только четыре:
— Тип топлива
— Тяга
— Удельный импульс
— Цена

Начнём по порядку.
Типы топлива у ЖРД используются разные — на серийно используемых двигателях применяются три основные пары горючего и окислителя. Это водород-кислород, кислород-керосин и гептил-амил. Последняя пара — очень опасные яды, первые две при попадании в атмосферу испаряются и окружающей среде вреда не наносят. Соответственно, остаётся два варианта горючего — керосин и водород. Водород позволяет получить больший удельный импульс (об этом — ниже), но у него меньше плотность, что требует увеличения размеров топливного бака.

Двигатель проектируется только под один тип топлива, и изменить это — фактически создать новый двигатель. При этом в СССР-России водородные двигатели практически не использовались. Однако СССР-Россия лидирует по керосиновым двигателям — так, в США не создан (и не планируется) керосиновый двигатель закрытого цикла, который более эффективен, чем ЖРД с открытым циклом. Однако реализовать закрытый цикл сложнее.

Удельный импульс (УИ) — это характеристика количества движения, которое способен создать двигатель, израсходовав единицу топлива. Соответственно чем выше УИ, тем более эффективен двигатель, потому что при том же расходе топлива может создать больше тяги или работать больше времени. УИ считается также одной из главных характеристик эффективности двигателя.

Зависит он от топлива. Так, пара кислород-водород теоретически позволяет получить в вакууме импульс в 428 секунд. Кислород-керосин — 335 с, гептил-амил — 318 с. Измеряется она в секундах — т.е. сколько секунд двигатель способен создавать тягу в 1 кгс, истратив при этом 1 кг топлива. В реальной жизни УИ будет меньше, потому что идеального двигателя не бывает. Снижает импульс и открытая схема двигателя — при ней часть топлива, которая приводит в действие насосы, сбрасывается и не участвует в создании тяги.

Тяга двигателя — это сила, которую двигатель способен приложить к ракете. изменяется в ньютонах или тонн-силах (тс). Больше двигатель — больше тяга, тут всё просто. Также следует помнить, что тяга (как и удельный импульс) в вакууме больше, чем в атмосфере.

И наконец, цена. Она важна, потому что двигатели покупаются и продаются (см. заголовок)Однако нам будет важна нем абсолютная цена, а стоимость двигателя в пересчёте на тонн-силу тяги — ведь можно поставить десяток дешевых маленьких двигателей, а можно — один большой и дорогой.

Однако это и самый недоступный параметр. Секунды и тонны есть в общем доступе, точный цен — нет. Цена продажи и себестоимость могут отличаться очень сильно. А уж пересчитать цену созданного при плановой экономике полвека назад двигателя в современные доллары или рубли и вовсе нереально.

Здесь, естественно, следует учитывать и страну разработки, и массовость, и ещё кучу других факторов. Больше зарплаты конструкторов — больше стоимость двигателя, например.

С теорией разобрались, переходим к примерам.

В 60-х годах в США для полёта на Луну был создан самый мощный (на тот момент) ЖРД — однокамерный керосиновый F-1, с тягой в 690 тс на уровне моря. А вот удельный импульс — всего 265 секунд. Двигатель мощный, но не особо эффективный.

Для лунной программы СССР был создан НК-15, а позе на его базе — НК-33. Тоже керосиновый и однокамерный, но тяга — всего 151 тс на уровне моря. Зато удельный импульс — 297 секунд. Эффективность выше, но меньшая тяга потребовала установки тридцати двигателей на первую ступень Н-1 (против пяти у Saturn-V).

В 1970-х в СССР создаётся РД-170, тоже керосиноый, но четырёхкамерный. На четыре сопла установлен общий турбонасос и другие системы. Тяга на уровне моря — 740 тс, удельный импульс — 309 с на уровне моря, 337 с в вакууме.

В тех же семидесятых в США создаётся однокамерный RS-25 для Шаттла. Тяга — 181 тс, то есть примерно столько же, сколько приходится на одно сопло у РД-170. А вот УИ выше — 363 с на уровне моря, 452 с в вакууме. Причина — в другом горючем, водороде.

В 90-х по заказу США на базе РД-170 создаётся его "половинка" — РД-180. Топливо остаётся то же, удельный импульс практически не меняется — 337 и 311 с. Тяга закономерно снижается вдвое — до 390 тс. Цена — "по мнению ряда экспертов", от 11 до 15 миллионов долларов (получается 28…38 тысяч долларов за тс).

В тех же 90-х в США создаётся однокамерный RS-68. Горючее — водород, тяга — 289 тс, удельный импульс — 359 с на уровне моря, 409 с в вакууме. Цена — порядка 20 миллионов долларов (69к$ за тс).

И наконец Merlin 1D, установленный на Falcon 9. Керосиновый, однокамерный, открытая схема. Удельный импульс — 282 с на уровне моря, тяга — 74 тс. Цена — мне встречалась оценка в 1,5 или 2,12 миллиона (20… 29 тысяч долларов за тс).

А теперь попробуем ответить на популярные вопросы.

Почему США покупают российские двигатели?

Потому что это было дёшево. Я не знаю, сколько именно получал конструктор или рабочий в 90-х в США и сколько в России, но думаю, что разница — примерно на порядок. Поэтому на волне мра-дружбы жвачки оплатить разработку двигателя на базе уже существующего вышло дешевле, чем использовать свои. К тому же, если использовать керосин, то тут у России преимущество — США отстают в таких двигателях.

Почему же они не летают на своих двигателях?

Опять же — потому что цена. Некоторые запуски делаются и на своих (см. Delta IV), но не все.

Почему они продолжают покупать, несмотря на санкции?

Потому что это по-прежнему дешевле и эффективнее, чем разрабатывать свой двигатель или новую ракету под существующие.
А Россия (минутка политики) эмбарго на импорт продуктов наложила, а на экспорт двигателей — почему-то нет. Вот торговля и продолжается.

А как же Маск и его замечательные двигатели?

Посмотрите на характеристики ещё раз. Эффективность ниже, тяга ниже — понадобится полная переработка ракеты (с падением полезной нагрузки), чтобы вместо одного РД-180 поставить пять Мерлинов.

А как же Маск и его замечательные ракеты?

Госконтракты — штука тонкая. А ракета довольно молодая. Поэтому тендер на разработку корабля и доставку грузов к МКС выиграли, а вот на запуск военных спутников (другие требования к надёжности и массе) не получилось. Но это чисто моё мнение, у вас может быть другое.

Итак, что мы видим в итоге?

США покупают российские ракетные двигатели, потому что это самые эффективные двигатели на керосине, и при этом дешёвые. Однако и свои двигатели у США тоже есть и используются.

Лунные машины — Ракета Сатурн-5

Автор: konstboyarov