Отмена запуска: Почему нехватка российских двигателей спровоцировала кризис в США
Спустя год после отказа России поставлять космические двигатели РД-180 и РД-181 США столкнулись с крупнейшей с начала 1990-х годов нехваткой пусковых мощностей.
Двигатели РД-180 будут использоваться для новой ракеты Atlas V, которая строится компанией Lockheed Martin Astronautics на заводе в каньоне Уотертон в округе Джефферсон, 2005 год. Фото © Getty Images / Craig F. Walker / The Denver Post
В середине марта в Вашингтоне прошла ежегодная конференция Satellite 2023. Участники обсудили перспективы глобального рынка спутниковой связи и пришли к выводу, что отрасль в опасности из-за нехватки ракет-носителей, потому что космические компании были сильно завязаны на сотрудничестве с Россией.
Ракетные двигатели России
19 марта издание SpaceNews опубликовало материал по итогам конференции Satellite 2023. Вчерашние эксплуатанты российских двигателей пожаловались на дефицит ракет для запуска спутников.
Директор компании United Launch Alliance (ULA) Тори Бруно, столкнувшийся с нехваткой двигателей РД-180, обвинил Россию, которая год назад ушла с мирового рынка пусковых услуг. По его словам, это самая крупная нехватка пусковых мощностей, настигшая США за последние 30 лет.
Сборочный цех (на снимке) ракетных двигателей серии РД-180 в НПО «Энергомаш» им. академика В.П. Глушко в г. Химки. Фото © ТАСС / Юрий Машков
На рынке космических услуг США спрос сейчас сильно превышает предложение, а активные игроки не только не могут удовлетворить растущие потребности, но и зачастую завышают цены.
Сверхтяжёлая задача: Почему погибла Super Heavy и когда теперь полетит Starship
Последствия санкций в США
В феврале 2022-го (сразу после признания независимости ДНР и ЛНР) США и ЕС начали вводить санкции против России. После начала СВО всё пошло по нарастающей. К началу марта 2022 года одними только США было наложено 1194 ограничения, в том числе на российские банки.
Одним из ответных шагов стала заморозка поставок российских ракетных двигателей в США, которые велись с середины 1990-х. Тогда министр ВВС США Фрэнк Кендалл посчитал, что проблем с пуском не будет. Но у представителей космического сектора другое мнение на этот счёт.
Во-первых, ракеты с РД-180 и РД-181 обеспечивали работу американских спутниковых группировок за относительно небольшие деньги. К тому же благодаря им были реализованы стратегически важные космические миссии, включая New Horizons, InSight, Lunar Reconaisance Orbiter, Solar Orbiter, Juno.
Lunar Reconaisance Orbiter. Иллюстрация © Getty Images / Encyclopaedia Britannica / UIG Via
По состоянию на апрель 2022 года в США хранилось на складах около 20 двигателей РД-180. Американские компании давно обещали найти альтернативу российским движкам — примерно с 2011 года, но, судя по всему, не всё так просто.
Двигатели РД-180 vs AR1
Сначала американцы решили запускать Atlas V с оставшимися двигателями РД-180 без участия российских специалистов.
— США очень рассчитывали на то, что у них есть определённый запас двигателей. Прежде чем ввести санкции, они запаслись, заполнили склады, — отметил главный редактор издания «Авиа.ru» Роман Гусаров.
Пуск Atlas V с двигателем РД-180 состоялся в октябре прошлого года. Эксперты отмечали, что сроки жизни ракеты-носителя сочтены: двигателей оставалось всего на 22 пуска.
Запуск ракеты Atlas V. Фото © Flickr / Stuart Rankin
Так что это явно не выход из ситуации в долгосрочной перспективе. Конечно, американцы задумались об альтернативе РД-180 и РД-181 немного раньше, но есть нюанс.
Ещё в 2014 году возник проект ракетного двигателя AR1. Разработчиком выступила компания Aerojet Rocketdyne. По состоянию на 2019-й в AR-1 было вложено свыше 280 млн долларов, однако в серийное производство он не пошёл. В 2021 году в Aerojet Rocketdyne собрали первый AR1 для компании Firefly Aerospace, но, судя по всему, проект оказался сырым и требовал массы доработок, прежде чем «пойти в серию».
Миллиарды внутри "Жнеца": Какие секреты Россия может извлечь из обломков американского дрона MQ-9
Двигатель BE-4: топливо, характеристики
После того как застопорился проект AR1, на авансцену вышел проект двигателя BE-4 от компании Blue Origin Джеффа Безоса. Отмечалось, что это один из немногих двигателей в мире, который работает на кислородно-метановом топливе.
Двигатель BE-4 от компании Blue Origin. Фото © Wikipedia / N2e
США заявили, что тяга BE-4 такая же, как у AR1, и что теперь он главный кандидат на замену РД-180. Но работать он будет уже на другой ракете-носителе — Vulcan. К 2022 году планировалось выпустить с десяток BE-4, но вскрылся ряд проблем с турбонасосным агрегатом, с нехваткой деталей и материалов. Переходный период затянулся, и глава ULA Тори Бруно заявил, что пока вся надежда на запасы РД-180.
— Надо понимать, что мы не обладаем всей полнотой информации. С одной стороны, американцы говорят: «Мы испытываем, создаём свои двигатели». Но мы не присутствуем на испытаниях и не можем знать, насколько всё это реально. Да, «пыхтят», что-то стараются делать. Но если говорить о двигателестроении, то даже если ты дошёл до этапа испытания, то это ещё не значит, что «двигатель состоится». Нередко случаются провалы, и тогда приходится всё переделывать, начинать с нуля. А это очень долго, дорого и так далее, — отмечает главный редактор издания «Авиа.ru» Роман Гусаров.
С альтернативами РД-181 для ракет «Антарес» всё ещё сложнее. С 2014 года, когда «Антарес» с двигателем AJ-26 (копией советского НК-33) потерпел крушение, американцы перешли на РД-181. И с тех пор ничего лучше и надёжнее не нашли.
В 2022–2024 годах США планировали получить 12 РД-181, а также усовершенствованную версию — РД-181М (для чего и в каком количестве — неизвестно). Но в марте 2022-го на этих планах пришлось поставить крест.
SpaceX: Falcon 9 и Starship
Летом 2022 года выходец из SpaceX и создатель стартапа Ursa Major Technologies Джо Лауриенти заявил, что его метановый двигатель Arroway заменит и РД-180, и РД-181. Но оказалось, что это неправда. Сложность заключалась не только в том, что тяга у Arroway в четыре раза меньше, чем у российских двигателей, но и в том, что частная компания с растущим спросом на ракеты-носители не справится чисто физически: нет мощностей производства.
Рендер двигателя Arroway. Рендер © Ursa Major
В связи с дефицитом пусковых мощностей в трудной ситуации могут оказаться не только космические миссии NASA. Встанет логистика американских компаний – поставщиков грузов на МКС, а компания – поставщик широкополосного интернета Amazon Kuiper не сможет реализовать трёхлетний план по выводу на орбиту нужного количества спутников.
По словам главы ULA Тори Бруно, американская космическая отрасль сейчас на пороге кризиса, который может продлиться около десяти лет. По сути, это «эффект бумеранга» от антироссийских санкций. Сейчас на себя основную нагрузку по доставке спутников берёт ракета Falcon 9.
Удовлетворить реальные потребности рынка спутниковой связи сможет только ракета-носитель Starship, способная выводить на орбиту несколько десятков крупных космических спутников одновременно. Однако неизвестно, когда она будет готова. К тому же, по словам руководства SpaceX, нужно ещё получить лицензию Федерального авиационного управления США (FAA). Известно, что летом прошлого года FAA потребовало от SpaceX внести 75 изменений в стартовую площадку в Техасе. Таким образом, на судьбу космической отрасли США влияют не только технологические проблемы, но и местная волокита.
В США объяснили закупку космических двигателей у России
Глава компании United Launch Alliance (подрядчик NASA) Тори Бруно объяснил, почему для запусков ракет семейства Atlas на протяжении многих лет используются российские двигатели РД-180. Об этом президент ULA рассказал в Twitter, отвечая на соответствующий вопрос от подписчика.
«Правительство США попросило нас купить их в конце холодной войны, чтобы российские ученые-ракетчики не оказались в Северной Корее и Иране», — написал он.
Двигатели РД-180 были разработаны НПО «Энергомаш» (предприятие «Роскосмоса») в середине 1990-х годов на базе советского РД-170, который был мощнейшим ракетным двигателем в мире и использовался на сверхтяжелой ракете-носителе «Энергия». РД-180 поставляются на экспорт в США, где их используют в запусках ракет семейства Atlas. Соглашение о поставках двигателей РД-180 американцам было заключено в 1997 году. По данным «Энергомаша», всего в Штаты было отправлено 119 двигателей, при этом выполнено 89 полетов на ракетах Atlas.
В 2014 году РД-180 попали под санкции США — в апреле американский суд по федеральным искам запретил United Launch Alliance использовать эти двигатели. ULA было запрещено «производить какие-либо покупки или платежи с НПО «Энергомаш». Однако уже в мае того же года Вашингтон отменил запрет. В 2016 году конгресс пытался отказаться от использования РД-180 с 2019 года, однако из-за отсутствия аналогов прекратить закупки российских двигателей не получилось.
В американских СМИ регулярно появляются сообщения о том, что Вашингтон пытается ускорить процесс замены РД-180, однако создать конкурентный двигатель, который мог бы заменить его в ближайшие годы, американским разработчикам пока не удалось.
Американцы рассказали, как спасли космическую отрасль России
Никакой особой тайны тут никогда и не было — никто просто не говорил об этом прямо. Две американские ракеты (из семи, находящихся в эксплуатации), «Антарес» и «Атлас-5», оснащаются модифицированными двигателями НК-33 и РД-180 соответственно. Первый носитель разрабатывался Orbital Sciences Corporation, а второй — как раз ULA. Оба агрегата существенно модифицировались перед установкой на ракеты, в основном в плане электронной аппаратуры и системах управления. Тем не менее, технически, это все-таки отечественные двигатели, где большая часть «железа» — российского (в случае НК-33 — советского) производства.
Одной из самых очевидных причин при выборе «вражеских моторов» для носителей является экономическая — адаптировать существующие агрегаты, если они подходят под требования, проще, чем разработать с нуля. К тому же, ТТХ советско-российских двигателей лучше соответствовали техническому заданию на новые ракеты. Поэтому было принято решение сэкономить средства и взять уже проверенные решения, тем более, что по меркам космической отрасли НК-33 и РД-180 стоят ну очень дешево. И если с вышеописанным аспектом все более-менее понятно и легко можно просчитать, то второй момент — политический, долгое время оставался подвешен в воздухе.
Существовал консенсус, гласящий, что важным аргументом при покупке ракетных двигателей из бывшего СССР был вопрос сохранения отрасли, чтобы технологии в ходе бурных 1990-х не попали в руки «преступных режимов». Это было бы очень невыгодно для США и данную версию на днях подтвердил Бруно. Его подписчик в Twitter задал вопрос: «Почему ULA использует российские двигатели? В США многие компании могут построить ракетный двигатель. Очевидно, российские дешевле, но может есть и другое объяснение?». Тори прямым текстом отвечает: «Правительство США (USG) попросило нас купить их в конце холодной войны, чтобы российские ракетчики не закончили в Северной Корее или Иране».
В любом случае, продажи двигателей американцам если и не стали спасительными для разработчика РД-180 «НПО Энергомаш», то уж точно были не лишними. Несмотря на массу слухов и домыслов, для всех участников сделки, этот контракт является удачным и плодотворным. Например, с 2016 года вместо НК-33, а точнее его адаптированной версии AJ-26 для «Антаресов», на эти ракеты ставится новый РД-181. Дело в том, что производство прежних агрегатов уже невозможно и все они были созданы еще в 1970-х.
Почему США покупают российские ракетные двигатели РД-180?
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:
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.