SpaceX начала производство новейших ракетных двигателей Raptor 3 для Starship. Чем они уникальны?

Американская космическая компания SpaceX, директором которой является небезызвестный миллиардер Илон Маск, начала производство новейших жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) Raptor 3. Это уже третье поколение двигателей Raptor для разрабатываемой компанией сверхтяжёлой ракеты-носителя (РН) Starship/Super Heavy, но его отличия от предыдущих версий очень большие, а в конструкции применено очень необычное решение.

Raptor 3. Credit: SpaceX.

Для начала опишем общие особенности ЖРД серии Raptor. Все они являются однокамерными, с закрытым циклом и полной газификацией компонентов. Все версии ЖРД Raptor работают на топливной паре «жидкий метан — жидкий кислород», оба компонента являются криогенными, т. е. находятся при температуре ниже -153 °C (120 К). Метан — инновационное топливо с рядом преимуществ по сравнению с другими видами топлива, хотя и революционным его назвать нельзя. О его преимуществах и недостатках подробно писал наш соавтор в материале, посвящённом первому успешному запуску РН на метане. Сейчас же отметим, что SpaceX выбрала метан в первую очередь из-за его преимуществ при использовании в многоразовых ракетах, а РН Starship/Super Heavy как раз будет полностью многоразовой. Отметим, что ЖРД Merlin 1D, которые устанавливаются на РН Falcon 9 и Falcon Heavy, работают на топливной паре «керосин — жидкий кислород».

ЖРД Raptor 3 находится по центру, слева Raptor 1, справа Raptor 2. Credit: SpaceX.

Credit: SpaceX.

Многие компоненты ЖРД Raptor 3 создаются с помощью методов 3D-печати. Это не только дань «модной» технологии: благодаря 3D-печати удалось спрятать внутри двигателя большую часть конструктивных элементов, такие как трубопроводы, провода и датчики, которые раньше находились снаружи. Это очень хорошо заметно на снимках выше и это действительно необычно! Такой подход позволят задействовать для защиты этих деталей от высоких температур систему регенеративного охлаждения, которая осуществляется за счёт циркуляции в каналах внутри корпуса криогенного топлива. Это позволило отказаться от защитных тепловых кожухов и очень сильно облегчило конструкцию: масса Raptor 3 составляет 1720 кг против 2875 кг у Raptor 2!

Raptor 3. Credit: SpaceX/denis-19.

Тяга Raptor 3 составляет 280 тонн-сил против 230 у Raptor 2, удельный импульс двигателя на уровне моря почти не изменился и равен 350 секундам, давление в камере сгорания — 350 атмосфер против 300 у Raptor 2.

Сам Илон Маск назвал Raptor 3 произведением искусства, но это ещё не конец работы над этим семейством двигателей. Пока нет оптимизированной для работы в вакууме версии двигателя с удельным импульсом 380 секунд, как ожидается, он появится в ближайшие годы. Также в будущем SpaceX планирует увеличить тягу до 300 тонн-сил.

Raptor 3 во время подготовки к огневым испытаниям. Credit: SpaceX.

Starship/Super Heavy — чрезвычайно сложный и амбициозный проект SpaceX по созданию полностью многоразовой сверхтяжёлой РН. Её длина — 120 метров (высота 40-этажного дома!), наибольший диаметр — 9 метров, стартовая масса — 6000 тонн (без учёта возможной полезной нагрузки)! Многие специалисты прямо говорят, что в случае начала эксплуатации этой РН все остальные ракеты в мире сразу же перейдут в разряд устаревших. SpaceX планирует использовать Starship для запуска спутников Starlink второго поколения, в новой лунной программе США с широким международным участием «Артемида» (NASA уже подписала контракт со SpaceX в 2021 году) и даже для колонизации Марса. В перспективе Starship должна будет заменить и РН Falcon 9, и Falcon Heavy. РН совершила уже 4 испытательных полёта в течение 1,5 года, и если первый пуск 20 апреля 2023 года был неудачным, то старт 5 июня 2024 года прошёл успешно. Всего на первой ступени Super Heavy устанавливается 33 двигателя Raptor. Это очень много, обеспечить стабильную работу такого числа двигателей крайне сложно, поэтому обычно на РН ставят от одного до нескольких ЖРД. В своё время нестабильная работа большого числа двигателей стала серьёзной проблемой советской лунной сверхтяжёлой ракеты Н-1, тогда инженеры не успели полностью решить её, а после проект и вовсе был закрыт вместе со всей лунной программой СССР. С тех пор считалось, что РН с большим числом двигателей «нежизнеспособны». Но в SpaceX доказали, что создать такую ракету реально, а советские конструктора мыслили в верном направлении.