Ako ljubitelje kosmičkih osvajanja pitate koji je najjači raketni motor u istoriji, većina će bez oklevanja odgovoriti da ta čast pripada motoru F-1 'Saturna V'. Međutim, moji dragi i mudri čitaoci znaju da to nije tačno. Najsnažniji raketni motor koji je ikad napravljen je РД-170/171, kojeg je konstruisao jedan od divova sovjetskog raketarstva Valentin Petrovič Gluško i koji je i danas u upotrebi.
Konstruktorski genije, čiji motori su pogonili prvu interkontinentalnu raketu 'Semjorku' a danas ih koriste 'Союзи'. Lično mi je mrzak zbog lunarne rakete 'Н-1' jer je doprineo da ovaj projekat ne postigne uspešna lansiranja odbivši da za Koroljova konstruiše raketni motor velikog potiska, između ostalog zbog nesuglasica njih dvojice oko toga koje bi se raketno gorivo koristilo – hipergolično ili kriogeno.
Doista, u ono vreme F-1 jeste bio najsnažniji motor na svetu (potiska 6750-7740 kN, ili, što mu dođe na isto, 756-867 tona) i jedan od ključnih faktora uspeha 'Saturna V', rakete koja je stavila Mesec na dohvat Nasi. Kako je onda bilo moguće da SAD izgube ovo vodstvo u snažnim motorima?
Motor I stepena 'Satrurna V' – F-1.
2013. Jeff Bezos, puniša i osnivač 'Amazona', platio je da se sa dna okeana izvade motori F-1iz misije 'Apollo 11'. Na slici: komora za sagorevanje motora, odn. ono što je ostalo posle udara u površinu mora brzinom od 5000 milja na sat.
Generalno, raketni motori se klasifikuju na osnovu nekoliko parametara, ali – najjednostavnije rečeno – najvažniji su potisak i specifični impuls. Prvi je lako razumeti, ali uvek imaj na umu da motor s najvećim potiskom nije neizostavno najbolji. Zapravo veliki potisak je bitan samo kod motora prvog stepena raketa, jer uostalom, najpre moramo da savladamo ubrzanje Zemljinog gravitacionog polja ukoliko želimo da se dohvatimo orbite. Specifični impuls (Isp) – koji je direktno proporcionalan brzini izduvnih gasova koji izgaraju – pruža nam predstavu o efikasnosti motora, odn. koliki delta-v može da se postigne s datom težinom pogonskih goriva. Uopšteno, ovaj parametar je najvažniji pri klasifikaciji motora, sem kod motora prvog stepena, gde je, kao što rekoh, važan i potisak. Isp se uglavnom određuje na osnovu korišćenih pogonskih goriva, a najefikasnije i najpraktičnije je kriogeno (tečni vodonik i kiseonik). Ali upotreba tečnog vodonika (LH2) nosi sa sobom značajne tehničke probleme. Vrlo niske temperature LH2 (-253ºC) podrazumevaju složene zemaljske instalacije i izolacione sisteme kako bi se sprečilo njegovo isparavanje. Mala gustina LH2 prisiljava na izgradnju velikih rezervoara za gorivo, što komplikuje konstruisanje prvog stepena rakete, ionako već najvećeg. Kao da to nije dovoljno, tečni vodonik ima gadnu tendenciju da volšebno prodire kroz sve spojeve i izolatore. Zbog toga je u mnogim slučajevima poželjnije koristiti kerozin i tečni kiseonik za motore prvog stepena, kao što je to slučaj sa F-1.
Međutim, konstrukcija motora takođe utiče i na specifični impuls. F-1 je bio motor otvorenog ciklusa (ili 'ciklus generatorskog gasa', a može i 'motor bez dogorevanja' itd.), poput većine motora s tečnim gorivom[1]. Od ovog mesta moramo vrlo pažljivo da analiziramo karakteristike raketnih motora kako bismo dobro razumeli ovu priču. U motorima s otvorenim ciklusom deo goriva i oksidatora preusmerava se u generator gasa ('preburner') – u osnovi malu komoru za sagorevanje – koja, kao što joj i samo ime kaže, generiše gas visoke temperature koji se koristi za pogon turbina i turbopumpi motora[2]. Kasnije se taj gas izduvava van motora nakon što ispuni svoju funkciju.
Motor 'Merlin' sa tamnim mlazom generatorskog gasa. Turbine koje pumpaju gorivo se pokreću sagorevanjem relativno male količine istih komponenti goriva kao i primarni motor, pa se gasni generator obično referiše kao predsagorevanje. Ali kada bi u tom procesu bila korišćena ista mešavina gasa i oksidatora kao u glavnom motoru, izduvni gasovi bi bili previše vreli za prolazak kroz turbine i pumpe te se koristi miks sa više goriva, što dovodi do nekompletnog sagorevanja i niže izlazne temperature.
Princip rada motora otvorenog ciklusa.
Problem je što dotični izduvani gas podrazumeva smanjenje efikasnosti motora, odnosno specifičnog impulsa. Idealno bi bilo da se ti gasovi ubrizgavaju u glavnu komoru za sagorevanje, izbegavajući tako gubitak[3]. Upravo to rade motori sa zatvorenim ciklusom (ili 'ciklusom etapnog sagorevanja', odn. 'motor sa predsagorevanjem'), gde svo gorivo (fuel-rich) ili sav oksidator (oxidizer-rich) najpre prolazi kroz generator gasa pre nego što uđe u komoru[4]. Međutim, lakše je ovakav sistem staviti na papir nego ga primeniti u praksi. Razlika pritiska između gasa u gasnom generatoru i pritiska gasa u komori za sagorevanje zahteva upotrebu vrlo efikasnih turbina[5], iako se zauzvrat u komori za sagorevanje mogu postići veći pritisci. Iz tog razloga je konstrukcija motora sa zatvorenim ciklusom mnogo komplikovanija od konstrukcije motora s otvorenim ciklusom. Uz to, u slučaju motora sa zatvorenim ciklusom sa predsagorevanjem bogatim oksidatorom, kod kojih je to tečni kiseonik, gas pod visokim pritiskom je toliko korozivan da je konstruisanje cevi izuzetno teško.
Princip rada motora zatvorenog ciklusa. Šemu je prvi predložio još 1949. sovjetski raketni inženjer Aleksej Isajev i napravio motor C1.5400 (11Д33). Na zapadu, prvi su takve motore 1963. testirao Nemac Ludwig Boelkow.
Iz tih razloga, u Sjedinjenim Državama je konstruisanje motora zatvorenog ciklusa – a posebno onih bogatih oksidatorom – u početku stavljeno na čekanje, jer se smatralo da mala prednost u povećanju specifičnog impulsa ne može da kompenzuje složenost potrebne tehnologije. Ako želiš da dobiješ veći Isp, lakše je koristiti kriogena goriva a ne komplikovati život.
Međutim, u SSSR-u je razvoj raketnih motora krenuo drugim putem i jednovremeno su se istraživale obe vrste. Godine 1949, ratni heroj i inženjer Aleksej Isajev je prvi detaljno nacrtao plan motora zatvorenog ciklusa. Prvi motor ovog tipa koji je izgrađen bio je 11Д33 (С15400), koji je krajem 50-ih projektovao biro OKБ-1 Sergeja Koroljeva, a masovno proizvodio Isajevljev biro. Korišćen je za gornje stepene projektila 'ГР-1'i raketa 'Moлния', sagorevajući kerozin i tečni kiseonik. Godine 1959, Nikolaj Kuznjecov (OKБ-256) konstruirao je prvi motor zatvorenog ciklusa za prve stepene, НК-9, za Koroljevljeve balističke nuklearne projektile 'Р-9' i 'ГР-1'. Ono što najviše iznenađuje kod ovog motora je što je koristio zatvoreni ciklus bogat kiseonikom, nešto što su američki inženjeri smatrali nemogućim zbog korozivnosti gasova generatorskog gasa.
Otprilike u to vreme je procvetala mitska konfrotacija Koroljeva i Gluška oko izbora pogonskih goriva za rakete. Iako mit obično vezuje ovu 'bitku' za konstruisanje Mesečeve rakete 'Н-1', stvarnost je da je rat započeo ranije, s programima interkontinentalnih balističkih projektila biroa OKБ-1[6]. Gluško je radije koristio hipergolična pogonska goriva[7] budući da je većina njegovih motora koji su pokretali projektile koristila ovu kombinaciju, te je smatrao gubljenjem vremena i resursa da stvara paralelnu konstruktorsku liniju samo da bi zadovoljio Koroljova, koji se zalagao za upotrebu kerozina i tečnog kiseonika zbog njihove efikasnosti. Zapravo Gluško je 1963. stvorio prvi hipergolični (fuel-rich) motor zatvorenog ciklusa, РД-253, za prvi stepen rakete 'Протон' Vladimira Čelomeja. РД-253 je poslužio kao osnova za РД-270, sovjetski odgovor na F-1, a koji je trebao da bude korišćen za džinovsku raketu 'УР-700'[8]. Sa potiskom od 6713 kN, РД-270 i dalje drži rekord kao najmoćniji hipergolični motor ikad napravljen[9], kao i specifičnog impulsa (322 sec) koji je bio bez premca u odnosu na motore na kerozin i tečni kiseonik.
РД-253, prvi hipergolični motor zatvorenog ciklusa iz 1963. Motor sagoreva UDMH/N2O4, koji su jako toksični ali hipergolični i mogu da se čuvaju na sobnoj temperaturi, što pojednostavljuje konstrukciju
Motor РД-253 i dijagram zatvorenog ciklusa. Poslednji motor je poleteo krajem marta 2012.
Sa svoje strane, Kuznjecov (do tada iskusni konstruktor aviona) nastavio je saradnju sa Koroljovom, a НK-9 će evoluirati sredinom šezdesetih i postati НK-15 i НK-33 Mesečeve super-rakete 'Н-1', koji su u to vreme bili najveći motori na svetu zatvorenog ciklusa bogatog kiseonikom, iako je njihova snaga bila daleko ispod snage РД-270 ili F-1. Ova mala snaga je prisilila Koroljeva da u prvi stepen 'Н-1' nakači čak trideset НК-15/33, što je bio jedan od uzroka loših performansi ove rakete. Ali ne treba kriviti Kuznjecova: s bednim budžetom i ograničenim raspoloživim vremenom praktički je bilo nemoguće razviti mnogo snažniji motor. Da li je Gluško mogao da napravi motor ekvivalentan РД-270 a da radi na kerozin i tečni kiseonik? Verovatno ne, barem ne na vreme.
РД-270, hipergolični odgovor na američki F-1.
Kuznjecovljev НК-33.
Šema motora НК-33-1 zatvorenog tipa bogatog kiseonikom.
'Aerojet' započinje testiranje paljenja NK-33 u Sjedinjenim Državama za prvo lansiranje 'Taurusa II' (NASA).
U međuvremenu, u Sjedinjenim Državama je (nenadano) okončan program 'Apollo', što je za direktnu posledicu imalo nestanak 'Saturna V' i F-1. Posle svega, tehnologija ove zastrašujuće mašine je bila zaboravljena, jer se zemlja koncentrisala na budući šatlov motor (SSME), koji je bio prvi američki kriogeni motor zatvorenog ciklusa (iako sa burnerom bogatim sagorivom, a ne kiseonikom). Zanimljivo je da se potreba za održavanjem tehnološke baze snažnih motora na kerozin i tečni kiseonik (kerolox) nije nastavila usled velikog poverenja u kriogenu tehnologiju i motore na čvrsto gorivo (SRB). SSSR je takođe u konstruktorskom birou КБХА iz Voronježa konstruisao kriogeni motor zatvorenog ciklusa РД-0120, mada ovaj nije mogao da se koristi više puta kao SSME.
Testiranje motora SSME (Space Shuttle Main Engine). Oznaka mu je RS-25. Jedan motor F-1 'Saturna V' je bio jak kao tri ova motora.
Nakon neuspeha sovjetskog lunarnog programa, početkom 70-ih Gluško – koji je, paradoksalno, sada bio na čelu НПО 'Энергия', bivšeg Koroljevljevog biroa – odlučio je da izgradi motor ekvivalentan F-1 za pogon svoje nove džinovske rakete[10]. Ovog puta, Gluško se odlučio za upotrebu kerozina i tečnog kiseonika umesto hipergoličnih pogonskih goriva, ali je novi motor – na kraju nazvan РД-170 (11Д520) – morao da bude još efikasniji od F-1, zbog čega je odabran kompleksni dizajn zatvorenog ciklusa sa generatorom koji radi na gorivo obogaćeno kiseonikom. Priličan izazov, pogotovo ako se uzme u obzir da je РД-170 bio pet puta snažniji od НК-33. Međutim, Gluško je odlučio da odustane od Kuznjecovljevog iskustva s НК-33 i naredio je uništavanje svih dotad proizvedenih jedinica kako bi sprečio političku vlast da se predomisli i spreči ga da nastavi sa svojim skupim novim motorom. Srećom, zaposleni nisu poslušali naređenje i sakrili su motore u hangar na Bajkonuru. Tek nakon završetka Hladnog rata otkrilo se njegovo postojanje. Sretno otkriće, jer danas nekoliko raketa ('Союз 2-3', 'Taurus II', itd.) zavisi od ovih motora. Kad su specifikacije НК-33 izašle na videlo, američki inženjeri su sumnjali u verodostojnost brojki, sve dok napokon jedan НК-33 nije poslat u SAD[11] na razna ispitivanja, što je potvrdilo početne izveštaje. Kao posledica toga, kompanija 'Aerojet' je odsovjetske vlade dobila dozvolu za proizvodnju i licenciranje НК-33 pod oznakom AJ-26-62, mada nikada nije uspela da ih proizvede na teritoriji Severne Amerike.
Sa svoje strane, program РД-170 je započet 1976. i nakon različitih peripetija o kojima bih mogao reći nešto više u nekom drugom postu, Gluško je uspeo da izgradi najsnažniji motor na svetu za prvi stepen rakete 'Энергия'[12] (11К25), iako je prvo poletela verzija РД-171 prilagođena za rakete 'Зенит'. Na veliko zadovoljstvo Gluška, na kraju je РД-170/171 bio snažniji i efikasniji od F-1, ali za razliku od potonjeg koristio je četiri komore za sagorevanje umesto jedne, dizajn koji je u principu složeniji i skuplji, ali koji se se pokazao mnogo fleksibilnijim. Doista, posedujući četiri komore, lako su se mogle konstruisati verzije sa dve i jednom komorom – sa otprilike polovinom odn. četvrtinom potiska, verzije koje su postale poznate kao РД-180 iРД-191, dopuštajući upotrebu u različitim raketama[13]. Kao što napomenuh, 'Энергия' je postojala kratko, ali su РД-171 nastavili da lete u kosmos sa raketom 'Зенит'.
Četvorokomorni motor zatvorenog ciklusa РД-170 konstruktorskog biroa 'Энергомаш', napravljen za raketu 'Энергия'. Sa potiskom od oko 740 tona na nivou mora, smatra se najjačim tečnim motorom ikada napravljenim na svetu. РД-170 troši gorivo mnogo efikasnije, jer ima 3,5 puta veći pritisak u komorama za izgaranje i izrađen je prema šemi zatvorenog ciklusa, za razliku od F-1, koji koristi jednostavniji, ali manje efikasan otvoreni ciklus. Zahvaljujući tome, uz gotovo jednaku potrošnju goriva, potisak РД-170 na nivou mora premašuje potisak F-1 za oko 7,2%.
Porodica motora РД-170.
Motori РД-180 koji će biti upotrebljeni za lansiranje 'Atlasa V'.
Šema zatvoremnog ciklusa motora РД-180 sa generatorom na gas obogaćen kiseonikom (plavo).
Nakon pada SSSR-a, 'Lockheed-Martin' je tražio novi motor za 'Atlas III' koji bi zamenio motore na busterima MA-5A 'Atlasa II' i, na opšte iznenađenje, 1996. se odlučuje za Gluškovljev РД-180 – trenutno ga proizvodi НПО 'Энергомаш' – pravdajući se da u Sjedinjenim Državama nema motora sličnih performansi. Razvoj РД-180 finansiran je američkim parama, ali je afera ukazala na nedostatak snažnog američkog keroloxmotora, stratešku slabost koju je trebalo rešiti po svaku cenu. NASA i Ministarstvo odbrane su formiraliInicijativu za kosmičko lansiranje 2000. godine kako bi rešili taj problem i konstruisali američki motor sličan РД-180. Već krajem devedesetih, 'Rocketdyne' je predložio RS-76, motor od 4000 kN baziran na РД-180, za pokretanje raketa sa tečnim gorivom kao alternativu šatlovim SRB-ovima, ali projekt nije nastavljen.
Sledeći motor je dobio oznaku RS-84 i koristio je priželjkivanu sovjetsku tehnologiju zatvorenog ciklusa bogatog kiseonikom motora РД-171/180 i НК-33. RS-84 (4665-5159 kN) je imao jednu komoru i bio je jači od РД-180, mada slabiji od РД-171 ili F-1. Njegovo konstruisanje je bio plod zajedničkog napora Nase (Marshall Space Flight Center) i 'Pratt & Whitney Rocketdyna'. Najistaknutija karakteristika RS-84 je bila to što je mogao da bude korišćen više puta – do 100 letova – što je među ostalim tehničkim izazovima uključivalo smanjenje temperature kerozina prilikom hlađenja komore za izgaranje kako bi se izbeglo stvaranje čađi u turbinama. Prvi motor je trebao da započne testiranje paljenja 2007. godine, ali je nakon što je potrošio ogromnu svotu novca i proizveo jedan mali probni model, program RS-84 otkazan u martu 2004.
'Rocketdynov' motor RS-84. Trebalo je da bude prvi višekratni tečni motor sa ciklusom etapnog sagorevanja u SAD koji bi koristio ugljovodonično gorivo. Sovjeti su imali takav motor 20 godina ranije.
Činilo se da je RS-84 pao u zaborav, ali malo-malo pa NASA diskretno sugeriše da bi mogla da vaskrsne projekat uz pomoć nekoliko milijardi dolara odvojenih za istraživanje teških raketnih tehnologija.
Sjedinjene Države već imaju najsnažniji kriogeni motor (RS-68), ali hoće li ikad napraviti motor snažniji od RD-171? Sve nade su okrenute ka privatnicima, ali najviše će zavisiti od toga za šta Amerika planira da ih uporedi. Ako nastave da kao do sada rasteruju genijalnu decu iz naučnih državnih projekata[14], da se bave Trampovim impičmentom i Meksičkim zidom, Orange Bowlom i Lebronom, Kardašijanima i sl. i da još uvek raspravljaju dal je maska zakonski obavezna ili ne, bogami će Kinezi i na tom polju da ih zmagaju...
[1] Ima ih mnogo ('Saturn V', 'Союз', Delta IV' itd.), a od novijih to su 'SpaceX-ovi' motori 'Merlin 1D' za 'Falcon 9', motori 'Vulcan' za rakete 'Ariane 5' ili kineski motori YF-25 za rakete 'Dugi Marš 3B'.
[2] Kod nekih motora, gasni generatori rade na različitim principima od samih motora pa čak imaju i sopstveno snabdevanje gorivom. Npr, turbine motora nacističkih 'V-2' pokretane su hemijskom reakcijom između vodonikovog peroksida i vrelog natrijum-permanganata.
[3] Za snabdevanje generatora koristi se oko 3% goriva.
Zanimljivo mi je da su se kod npr. motora J-2X drugog stepena 'Saturna', nakon pokretanja dve turbine – koje su pokretale pumpe za gorivo – taj vreli gas koristio i za zagrevanje tečnog helijuma u razmenjivaču toplote koje se dalje koristio za stvaranje pritiska u kiseoničkom tanku stepena i hlađenje zidova izduvne mlaznice koja je trpela 2500ºC.
[4] Ukratko, tokom 50-ih sovjetski inženjeri su napravili kompromis. Umesto da koriste mešavinu bogatu gorivom u generatoru gasa koji proizvodi izduvni gas koji se nije vraćao u motor, počeli su da eksperimentišu sa generatorom sa gasom bogatim kiseonikom. Nažalost, ta ideja je rešavala jedan problem a otvarala drugi, jer tada nije postojala legura koja bi mogla da izdrži veoma vreo gas bogat kiseonikom koji je proizvodio generator. Čak, američki inženjeri su smatrali da je to nemoguće, a da su glasine o uspesima Sovjeta samo puka propaganda.
Na kraju su Sovjeti savladali metalurgiju potrebnu za izgradnju turbine i razvili nekoliko motora koji su radili prema konceptu generatora bogatog kiseonikom. Izduvni gas je uvođen u motorsku komoru za sagorevanje i time vraćao barem deo pogonskog goriva koji bi inače bio izbačen napolje. Savremeni ruski motor РД-180, koji trenutno koriste američki 'Atlasi V', nastavak je ove tehnologije.
Američki inženjeri su otišli u suprotnom smeru. Verovali su da je mešavina bogata gorivom u generatoru moguća i da može da se izvede s postojećim metalnim legurama, sve dok se vodonik koristi kao gorivo umesto kerozina. To je na kraju dovelo do razvoja glavnog motora za šatlove, koji je do danas ostao najefikasniji motor na tečno gorivo ikad napravljan. Iako se šatl već odavno povukao, varijacija samog motora će nastaviti kao pokretač 'SLS'. Biće to najmoćnija raketa koju je NASA ikad izgradila i trebala bi započeti svoje misije krajem ove godine.
[5] Recimo, vodonična turbopumpa motora J-2X II stepena rakete 'Saturn V', duga samo 76 cm i prečnika 50 cm proizvodi vrtoglavu snagu od 16.000 KS, ili kao 5 dizel-lokomotiva.
Kod motora F-1, turbina se okreće brzinom od 5500 ob./min. i proizvodi snagu od čak 55.000 KS. Turbine pokreću pumpe za gorivo, te pumpa za kerozin upumpava 58.560 litara u minutu, a pumpa za tečni kiseonik 93.920 litara. Veliki je izazov napraviti pumpu koja će da radi u temperaturnom opsegu od 820ºC do -184ºC. Gorivo služi za podmazivanje i hlađenje ležajeva turbina.
[6] Ako ćemo baš 'krivo sjedi, pravo besjedi', fajt je počeo još u martu 1939, kada su oba konstruktora bačena u Staljinov logor ('šarašku') u Sibiru. Pričalo se da je izgleda Koroljev stigao tamo na osnovu Gluškove 'preporuke'.
[7] Nesimetrični dimetilhidrazin (UDMH) i nazotni tetroksid (N2O4).
[8] Strašan projekat, o kome sam napisao e-knjigu.
[9] Iako su napravljena 22 motora i izvršena temeljna testiranja, 1969. su stopirani svi dalji radovi i na raketi i na motoru.
[10] Ko razume shvatiće da se radilo o raketi 'Энергия', sa 4 bustera od kojih je svaki imao po jedan četvorokomornu motor РД-170 na kerozin/LOX, dok je centralni stepen imao 4 jednokomorna РД-0120 (11Д122) na tečni vodonik/LOX. Iako je imala dva super-uspešna lansiranja, ipak joj je (ras)pad SSSR-a došao glave.
[11] Tada se pisalo da je sačuvano oko 60 motora, Sovjeti su prodali Amerima 36 komada po ceni od $2,2 današnja miliona po komadu.
[12] O njoj sam pisao u više navrata, recimo ovde, ovde i ovde, ali znam da ima još.
[13] Polovina motora, dvokomorni РД-180, pokreće 'Lockheed Martinove' rakete 'Atlas V', dok jednokomorni РД-191 pokreću korejske 'Naro-1' i ruske 'Ангарe'. РД-181, bazirane na РД-191, koriste se na 'Antaresima' (tokom razvoja poznatim kao 'Taurus II').
[14] Od recimo 100 najvrednijih i najpametnijih doktora tehničkih nauka koji završe svake godine MIT, Stenford, Kembridž, Harvard ili Berkli, recimo 99 odlazi za ogromnim platama koje im daje 'Badvajzer', Fejsbuk, Gugl, Vol Strit i sl. Nikome ne pada na pamet da ode u neko ministarstvo za obrazovanje, industriju, zdravstvo, razvoj itd. Ne bi ni kad bi znali da će biti ministri! No way! Ko će onda da pokrene američku letargičnu močvaru inovativnih ideja i pronalazaka? Kina godinama ima više patenata nego Amerika, a u vodećim tehnologijama XXI-XXII veka im već toliko beže da ih Ameri ne mogu da stignu ni kad bi ovi slomili nogu.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
