Motor de rachetă dorit, capabil să depășească Stradivarius MIT Technology Review din Rusia
Motor de rachetă dorit, capabil să depășească „Stradivarius” din Rusia
De ani de zile, industria rachetelor spațiale a fost stagnată și dominată de RD-180 rus, creat în anii 1990. Dar acest lucru ar putea fi pe cale să se schimbe. Datorită metodologiilor moderne, patru companii din SUA concurează pentru a crea una mai bună
- de Matthew Bodner | tradus de Ana Milutinovic
- 29 iulie 2019
Cu o oră înainte de apusul soarelui, pe 24 mai 2000, o rachetă neobișnuită s-a ridicat din complexul de lansare 36 de la stația forței aeriene Cape Canaveral (SUA). La fel ca majoritatea rachetelor, Atlas 3 își moștenise designul de la un ICBM, în acest caz, de la prima rachetă americană de acest gen, concepută pentru a amenința Uniunea Sovietică cu anihilarea nucleară. Acest lucru nu a fost neobișnuit. Dar racheta a avut o primă etapă considerabil mai puternică decât precedentele. RD-180, motorul său, a fost construit de NPO Energomash într-o fabrică de la periferia Moscovei (Rusia). Un motor rus a alimentat o rachetă americană, o uniune care ar fi fost de neimaginat la înălțimea cursei spațiale.
În următoarele două decenii, alte 83 de rachete de acest tip au decolat din Florida (SUA). Atlas 3 și succesorul său, Atlas 5, echipat cu motoare RD-180, a trimis pe orbită cel puțin 16 sateliți spion SUA, 13 sateliți militari de comunicații, o jumătate de duzină de sateliți GPS, doi sateliți militari pentru vreme și trei sateliți de alertă antirachetă, concepuți pentru a detecta lansările de rachete de unde a fost construit motorul RD-180. De asemenea, a propulsat patru misiuni americane pe Marte, lansarea de către NASA a misiunii New Horizons la Pluto în 2006 și Juno către Jupiter în 2011.
RD-180 este remarcabil nu numai din cauza ciudățenilor geopolitice sub care a funcționat, ci pentru că a fost în multe privințe pur și simplu mai bun decât orice alt motor de rachetă al timpului său. Când Elon Musk a anunțat succesul testului său cu motorul Raptor al SpaceX în februarie 2019, s-a lăudat cu presiunile ridicate realizate în camera de împingere a Raptorului: presiunea atmosferică de peste 265 ori la nivelul mării. Raptor a depășit recordul deținut de câteva decenii de „impresionantul RD-180 rus”, Musk a postat pe Twitter.
După ce Crimeea a anexat Rusia în 2014, zilele RD-180, ca bază a rachetei americane, au început să fie numărate. Șoimii de apărare din SUA fuseseră mult timp inconfortabili cu acea uniune, dar motorul era foarte bun și, având în vedere capacitățile sale, era și ieftin, așa că s-a blocat. Dar când relațiile cu Rusia s-au destrămat, adversarii motorului din Congresul SUA, condus de senatorul John McCain, a interzis utilizarea motorului rus în rachetele americane din 2023. Acest lucru a forțat forțele aeriene americane să caute o nouă rachetă.
Toate acestea ridică o întrebare: Cum a devenit un motor rus conceput acum zeci de ani măsura standard cu care au fost comparați cei mai buni oameni de știință ai rachetelor din America? Pentru a înțelege de ce RD-180 este un motor atât de bun, trebuie să știți că cheia a fost o chestiune de dexteritate. Deși sute de oameni participă la dezvoltarea motoarelor rachete, este vital să ai pe cineva cu un bun instinct de design- Balanțele sunt prea complexe pentru a fi rezolvate prin forță brută. În cazul RD-180, persoana la comandă se numea Valentin Glushko.
După ce URSS a pierdut cursa spațială în fața Lunii împotriva Statelor Unite, proiectarea celui mai bun motor rachetă a devenit o „prioritate națională”, amintește inginerul aerospațial rus și istoricul spațiului Vadim Lukashevich. Liderii sovietici au dorit să construiască cea mai puternică rachetă din lume pentru a-și ține stațiile spațiale pe orbită și a lansa Buran, ceea ce urma să fie naveta spațială rusă. Glushko a primit resurse pentru a construi cel mai bun motor posibil, lucru la care era foarte bun. Rezultatul a fost RD-170, fratele mai mare al RD-180.
Fotografie: Motorul rusesc RD-180 a alimentat zeci de lansări Atlas V, iar în unele transporta sateliți proiectați pentru a spiona, printre alte țări, aceeași țară în care a fost construit. credite: Craig F. Walker
RD-170 a fost unul dintre primele motoare cu rachete care a folosit o tehnică numită arderea etapizată sau aranjată. Un alt care l-a folosit a fost principalul motor al navetei spațiale americane, dezvoltat și în anii 1970. În schimb, motoarele F-1 din prima etapă a rachetelor Saturn V, care au propulsat programul Apollo către Lună, aveau un și un design mai simplu cu un motor cu ciclu generator de gaz. Diferența cheie: motoarele cu ardere etapă sunt de obicei mai eficiente, dar prezintă un risc mai mare de explozie. Specialistul în motoare cu rachete cu combustibil lichid de la Universitatea Purdue (SUA), William Anderson, explică: „Nivelurile de eliberare a energiei sunt extreme”. Doar cineva cu o imaginație cu adevărat vicleană, potrivit lui Anderson, ar putea înțelege tot ce se întâmplă în interiorul camerelor de ardere ale motoarelor rachete. În Rusia, acea persoană era Glushko.
"S-au investit atât de multe în navetă, încât nimeni de la NASA nu a vrut să vorbească despre dezvoltarea unui motor cu combustie etapă bogat în oxigen. Oxigenul ar arde aproape totul dacă ar apărea o scânteie".
Pentru a înțelege de ce motoarele Glushko au fost un succes ingineresc, trebuie să obținem un pic de tehnică.
Există două moduri cheie de a măsura performanța unei rachete: de la forța (sau de forța pe care o exercită o rachetă) sau de la impulsul specific (o măsură a eficienței în utilizarea combustibilului său). O rachetă cu forță mare dar cu forță specifică mică nu va atinge orbita; ar trebui să transporte atât de mult combustibil încât greutatea sa ar avea nevoie de mai mult combustibil și așa mai departe. Dimpotrivă, o rachetă cu un impuls specific ridicat, dar o forță scăzută nu s-ar ridica niciodată de la sol. (Cu toate acestea, acele tipuri de rachete funcționează bine în spațiu, unde un impuls constant este suficient).
Un motor rachetă arde combustibil împreună cu un oxidant, care este de obicei oxigen, pentru a genera gaz fierbinte care se extinde în jos și în exterior prin duza motorului, accelerând motorul în cealaltă direcție. Spre deosebire de motoarele cu reacție, care obțin oxigen din aerul din jurul lor, rachetele trebuie să-și transporte propriul oxigen (sau alt oxidant), deoarece în spațiu, desigur, nu există. La fel ca reactoarele, rachetele au nevoie de o modalitate de a forța combustibilul și oxigenul în camera de ardere cu presiune ridicată; orice altceva este egal, mai multă presiune înseamnă performanță mai bună. Pentru a face acest lucru, rachetele folosesc turbopompe cu sute de rotații pe secundă. Turbopompele sunt acționate de turbine care, la rândul lor, sunt activate de pre-arzătoare, care, de asemenea, ard o parte din combustibil și oxigen.
Diferența crucială între motoarele cu ardere etapă, cum ar fi RD-180 și motoarele alimentate cu gaz, cum ar fi Saturn-ul F-1, constă în ceea ce se întâmplă cu gazele care ies din pre-arzătoare. În timp ce motoarele cu generatoare de gaz îl aruncă peste bord, motoarele cu ardere etapizată îl reinjectează în camera principală de ardere. Unul dintre motive este că aceste gaze conțin combustibil neutilizat și oxigen: pre-arzătoarele nu pot arde totul. Eliminarea lor este o risipă, ceva crucial într-o rachetă care trebuie să transporte combustibilul și oxigenul pe care urmează să-l consume. Dar reinjectarea acestora necesită un echilibru delicat între presiuni și niveluri de debit, astfel încât motoarele să nu explodeze. De asemenea, aveți nevoie de o serie întreagă de turbopompe. Experții au nevoie, de obicei, de un deceniu de simulări și teste sau mai mult pentru a afla cum să o facă să funcționeze bine.