Olyan rakétamotort keresett, amely képes felülmúlni az orosz Stradivarius MIT Technology Review-t
Olyan rakétamotort keresett, amely képes felülmúlni az orosz „Stradivarius” -t
Évek óta az űrrakéta-ipar stagnál, és az 1990-es években létrehozott orosz RD-180 uralja ezt, de ez hamarosan megváltozhat. A modern módszertannak köszönhetően négy amerikai vállalat versenyez egy jobb létrehozásáért
- írta Matthew Bodner | fordította Ana Milutinovic
- 2019. július 29
2000. május 24-én, egy napnyugta előtt egy órával egy szokatlan rakéta szállt fel a Launch Complex 36-ról a Cape Canaveral légierő állomásán (USA). A legtöbb rakétához hasonlóan az Atlas 3 is egy ICBM-től örökölte a tervét, jelen esetben az első ilyen típusú amerikai rakétától, amelynek célja a Szovjetunió nukleáris megsemmisítéssel való fenyegetése volt. Ez nem volt szokatlan. De a rakétának sokkal erősebb volt az első szakasza, mint az előzőeknek. Az RD-180-at, annak motorját az NPO Energomash építette Moszkva (Oroszország) külvárosában lévő gyárban. Orosz motor hajtott egy amerikai rakétát, olyan szakszervezet, amely elképzelhetetlen lett volna az űrverseny magaslatán.
A következő két évtizedben további 83 ilyen típusú rakéta szállt fel Floridából (USA). Atlas 3 és utódja, Atlas 5, RD-180 motorokkal felszerelve legalább 16 amerikai kémszatellit küldött pályára, 13 katonai kommunikációs műhold, fél tucat GPS-műhold, két katonai időjárási műhold és három rakéta-riasztó műhold, amelyek az RD-180 hajtómű építésének helyéről indított rakéták kilövésére szolgálnak. Négy amerikai missziót indított a Marson, a NASA 2006-ban elindította a New Horizons missziót a Plútóhoz, a Juno pedig a Jupiterhez.
Az RD-180 nemcsak a geopolitikai furcsaságok miatt figyelemre méltó, hanem az is, hogy sok szempontból egyszerűen jobb volt, mint annak idején más rakétamotor. Amikor Elon Musk 2019 februárjában bejelentette a SpaceX Raptor motorjával végzett tesztjének sikerét, a Raptor tolókamrájában elért magas nyomással büszkélkedhet: a tengerszint felett a légköri nyomás több mint 265-szerese. Raptor megdöntötte a "lenyűgöző orosz RD-180" évtizedek óta tartó rekordját, Musk közzétette a Twitteren.
Miután a Krím 2014-ben bekebelezte Oroszországot, az RD-180 napjait, mint az amerikai rakétagyűjteményt kezdték számolni. Az amerikai védelmi sólymok már régóta kényelmetlenül érezték magukat az unióban, de a motor nagyon jó volt, és képességeit figyelembe véve olcsó is volt, ezért beragadt. De amikor az Oroszországgal fennálló kapcsolatok megszakadtak, a motor ellenfelei az amerikai kongresszusban, John McCain szenátor vezetésével, 2023-tól betiltotta az orosz motor használatát az amerikai rakétákban. Ez arra kényszerítette az amerikai légierőt, hogy új rakétát keressen.
Mindez felvet egy kérdést: Hogyan lett egy évtizedekkel ezelőtt tervezett orosz motor az a standard mérőszám, amellyel összehasonlították Amerika legjobb rakétatudósait? Ahhoz, hogy megértse, miért olyan jó motor az RD-180, tudnia kell, hogy a kulcs ügyesség kérdése volt. Bár több száz ember vesz részt a rakétamotorok fejlesztésében, aki jó tervezési ösztönnel bír, létfontosságú- Az egyensúlyok túl összetettek ahhoz, hogy durva erővel megoldják őket. Az RD-180 esetében a felelős személyt Valentin Glushko-nak hívták.
Miután a Szovjetunió elvesztette az űrversenyt a Hold ellen az Egyesült Államok ellen, a legjobb rakétamotor megtervezése "nemzeti prioritássá" vált, idézi fel Vadim Lukashevich orosz repülőgépmérnököt és űrtörténészt. A szovjet vezetők a világ legerősebb rakétáját akarták megépíteni, hogy űrállomásukat pályájukon tartsák, és elindítsák a Buránt, amelynek az orosz űrsiklónak kellett lennie. Glushko erőforrásokat kapott a lehető legjobb motor megépítésére, amiben nagyon jó volt. Az eredmény az RD-170, az RD-180 idősebb testvére lett.
FényképAz orosz RD-180 hajtómű tucatnyi Atlas V indítómotort hajtott végre, egyeseknél pedig műholdakat szállítottak, amelyek többek között ugyanazon ország kémlelésére szolgálnak, ahol építették. Hitelek: Craig F. Walker
Az RD-170 volt az első rakétamotor, amely fokozatos vagy szakaszos égésnek nevezett technikát használta. A másik az amerikai űrsikló fő motorja volt, amelyet szintén az 1970-es években fejlesztettek ki. Ezzel szemben a Saturn V rakéták első fokozatának F-1 motorjai, amelyek az Apollo programot a Holdra hajtották, régebbi és egyszerűbb kialakítás gázgenerátor-ciklusú motorral. A legfontosabb különbség: fokozatos égésű motorok általában hatékonyabbak, de nagyobb a robbanásveszély. William Anderson, a Purdue Egyetem folyékony rakétamotor-specialistája elmagyarázza: "Az energia kibocsátási szint rendkívüli." Anderson szerint csak igazán ravasz fantáziájú ember képes megérteni mindent, ami a rakétamotorok égésterében zajlik. Oroszországban ez a személy Glushko volt.
"Annyit fektettek a transzferbe, hogy a NASA-nál senki sem akart oxigénben gazdag, fokozatos égésű motor fejlesztéséről beszélni. Az oxigén szinte mindent megéget, ha szikra jelenik meg.".
Ahhoz, hogy megértsük, miért voltak Glushko motorjai mérnöki sikerek, egy kicsit technikussá kell válnunk.
A rakéta teljesítményének mérésére két kulcsfontosságú módszer létezik: a tolóerő (vagy a rakéta által kifejtett erő mennyisége) vagy a specifikus impulzus (a tüzelőanyag-felhasználás hatékonyságának mértéke) alapján. A nagy nyomású, de alacsony fajlagos tolóerővel rendelkező rakéta nem éri el a pályát; annyi üzemanyagot kellene szállítania, hogy súlyához több üzemanyagra lenne szükség stb. Ezzel szemben egy nagy sajátos lendülettel rendelkező, de alacsony tolóerővel rendelkező rakéta soha nem emelne le a földről. (Azonban az ilyen típusú rakéták jól működnek az űrben, ahol állandó lökés elegendő).
Egy rakétamotor üzemanyagot éget el egy oxidálószerrel együtt, amely általában oxigén, forró gáz képződéséhez, amely lefelé és kifelé tágul a motor fúvókáján keresztül, felgyorsítva a motort a másik irányba. Ellentétben a sugárhajtóművekkel, amelyek oxigént kapnak a körülöttük lévő levegőből, a rakétáknak saját oxigént kell szállítaniuk (vagy más oxidálószer), mivel az űrben természetesen nincs. A reaktorokhoz hasonlóan a rakétáknak is szükségük van arra, hogy az üzemanyagot és az oxigént nagy nyomással juttassák az égéstérbe; minden más egyenlő, a nagyobb nyomás jobb teljesítményt jelent. Ehhez a rakéták turbopumpákat használnak, másodpercenként több száz fordulattal. A turbószivattyúkat turbinák hajtják, amelyeket viszont előégők működtetnek, amelyek egy részét üzemanyagot és oxigént is elégetnek.
A döntő különbség az olyan szakaszos égésű motorok, mint az RD-180, és a gázüzemű motorok, mint a Saturn F-1 között abban rejlik, hogy mi történik az előégőkből származó gázokkal. Míg a gázgenerátoros motorok a hajóra dobják, szakaszos égésű motorok visszavezetik a fő égéstérbe. Ennek egyik oka az, hogy ezek a gázok fel nem használt üzemanyagot és oxigént tartalmaznak - az előégetők nem tudnak mindent elégetni. Ezeknek a megsemmisítése pazarlás, ami döntő jelentőségű egy rakétában, amelynek tartalmaznia kell az elfogyasztandó üzemanyagot és oxigént. De ezek visszahelyezéséhez finom egyensúlyra van szükség a nyomások és az áramlási szintek között, hogy a motorok ne robbanjanak fel. Szüksége van egy turbószivattyúk egész sorozatára is. A szakértőknek általában egy évtizedes szimulációra és tesztelésre van szükségük, vagy még annál is többre, hogy kitalálják, hogyan lehet jól működni.