Почему США покупают российские ракетные двигатели РД-180?

Почти в каждой дискуссии про Илона Маска непременно возникает вопрос: «Если американцы такие крутые, то почему они покупают российские ракетные двигатели?». Попробую на него ответить.

Для начала — два важных уточнения.

Первое — США, то есть государство «Соединенные Штаты Америки», двигатели РД-180 не покупает. Их приобретает частная компания Lockheed Martin для своих ракет Atlas-V, и затем пуски на этих ракетах продаёт частникам, NASA и Министерству обороны США. Причём двигатели приобретаются не у НПО Энергомаш, которые их производит, а у компании RD Amross, которая является совместным предприятием Pratt & Whitney и Энергомаша.

Второе — двигатель разработан на деньги Pratt & Whitney, права на производство и вся необходимая документация у них есть, и при желании наладить производство на территории США — вопрос денег и времени.

Поэтому вопрос нужно сформулировать несколько по-другому. Почему Pratt & Whitney не производит двигатели РД-180 сама, а заказывает их у Энергомаша?



Сначала немного теории.

Есть два типа двигателей, которые способны оторвать ракету от Земли и разогнать до нужной скорости — это жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) и твердотопливный (РДТТ). Также следует отметить, что РДТТ как основной двигатель применяется либо на конверсионных ракетах, то есть немного доработанных МБР (стоять в шахте годами ракета с жидким керосином внутри не может), либо на маленьких ракетах — пара тонн на низкую орбиту.

Характеристик у ЖРД много, однако нас в данном случае интересуют только четыре:

— Тип топлива

— Тяга

— Удельный импульс

— Цена

Начнём по порядку.

Типы топлива у ЖРД используются разные — на серийно используемых двигателях применяются три основные пары горючего и окислителя. Это водород-кислород, керосин-кислород и гептил-амил. Последняя пара — очень опасные яды, первые две при попадании в атмосферу испаряются и окружающей среде вреда не наносят. Однако гептил-амил имеет высокую температуру кипения и плотность, поэтому его часто используют на последних ступенях или для космических аппаратов. 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, но 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 — это характеристика количества движения, которое способен создать двигатель, израсходовав единицу топлива. Соответственно чем выше удельный импульс, тем более эффективен двигатель, потому что при том же расходе топлива может создать больше тяги или работать больше времени. Удельный импульс считается также одной из главных характеристик эффективности двигателя.

Зависит он в первую очередь от используемого топлива. Измеряется удельный импульс в секундах — т.е. сколько секунд двигатель способен создавать тягу в 1 кгс, истратив при этом 1 кг топлива. Так, пара водород-кислород теоретически позволяет получить в вакууме импульс в 428 секунд. Керосин-кислород — 335 с, гептил-амил — 318 с. 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 не абсолютная цена, а стоимость двигателя в пересчёте на тонн-силу тяги — ведь теоретически можно поставить десяток дешевых маленьких двигателей, а можно — один большой и дорогой, хотя это и связано с определёнными препятствиями.

Однако это и самый недоступный параметр. Секунды и тонны есть в общем доступе, точный цены — нет. Цена продажи и себестоимость могут отличаться очень сильно, причём первое не обязательно больше второго. 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 тираж, и ещё кучу других факторов.

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. Эффективность была принесена в жертву надежности — ни одной аварии этого двигателя на летавших носителях не было.

Пять таких двигателей устанавливались на первую ступень ракеты-носителя Saturn V, которая поднимала до 140 тонн на орбиту Земли — этого хватало, чтобы три астронавта могли попасть на орбиту Луны, двое из них — спуститься на саму Луну и подняться обратно, а потом встретиться на орбите с третьим и вернуться на Землю.



Для лунной программы СССР был создан НК-15, а позже 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 лунной ракеты Н-1 (против пяти у Saturn V). По ряду причин, о которых в своей замечательной книге «Ракеты и люди» пишет Б. Е. Черток, все четыре полёта этого носителя заканчивались аварией. Одна из причин — большое количество двигателей: чем больше компонентов, отказ каждого из которых критичен, тем ниже общая надёжность системы.

В 1970-х в СССР создаётся двигатель РД-170, тоже керосиноый, но четырёхкамерный. На четыре сопла установлен общий турбонасосный агрегат 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 (также известен как SSME) для корабля Space Shuttle. Тяга — 181 тс, то есть примерно столько же, сколько приходится на одно сопло у РД-170. А вот удельный импульс заметно выше — 363 с на уровне моря, 452 с в вакууме. Причина — в другом горючем: в этом двигателе используется водород, а не кислород. Как и РД-170, двигатель выполнен по закрытой схеме.

И вот, наконец, мы подходим к основной теме текста. В 90-х по заказу компаний США и поддержке контракта обоими государствами на базе РД-170 создаётся его «половинка» — РД-180. Топливо остаётся то же, удельный импульс практически не меняется — 311 и 337 с на уровне моря и в вакууме соответственно. Тяга закономерно снижается вдвое — до 390 тс. Цена — «по мнению ряда экспертов», от 11 до 15 миллионов долларов (получается 28... 38 тысяч долларов за тонн-силу тяги).

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 (69 тысяч долларов за тонн-силу).

И наконец Merlin 1D, установленный на ракету-носитель Falcon 9. Керосиновый, однокамерный, открытая схема. Удельный импульс-282 с на уровне моря, тяга — 74 тс. Цена неизвестна, мне встречалась оценка в 1,5 или 2,12 миллиона (20... 29 тысяч долларов за тонн-силу). Как мы видим, двигатели Илона Маска не дороже российских.

И тут мы подходим к ответу на вопрос.

Почему Pratt & Whitney заказали двигатель в России, а не в США?

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 ура-дружбы-жвачки оплатить разработку двигателя на базе уже существующего и заключить контракт на их покупку вышло дешевле, чем использовать свои. К тому же тут у России преимущество — США отстают в керосиновых двигателях.

Почему же они не летают на своих двигателях?

Опять же — потому что цена. Некоторые запуски делаются и на своих ракетах-носителях (например, на Delta IV), но не все.

Почему они продолжают покупать, несмотря на санкции?

Потому что это по-прежнему дешевле и эффективнее, чем разрабатывать свой двигатель под Atlas-V или новую ракету под существующие двигатели. А Россия (минутка политики) эмбарго на импорт продуктов наложила, а на экспорт двигателей — почему-то нет. Вот торговля и продолжается.

А как же Илон 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. К тому же далеко не факт, что Илон Маск захочет их продавать конкуренту.

А как же Илон Маск и его замечательные ракеты?

Госконтракты — штука тонкая. А ракета Falcon 9 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 — там нужна как минимум непрерывная цепочка удачных запусков, которой у Falcon 9 пока нет.

Итак, что мы видим в итоге?

Американская компания покупает 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.

А вот «безальтернативная» статистика по «Атласам» с РД-180:

2000 год
1 запуск из 28 или 3.6%

2001 год
0 запусков из 22 или 0%

2002 год
2 запуска из 17 или 11.8%

2003 год
4 запуска из 23 или 17.4%

2004 год
2 запуска из 16 или 12.5%

2005 год
3 запуска из 12 или 25%

2006 год
2 запуска из 18 или 11.1%

2007 год
4 запуска из 19 или 21%

2008 год
2 запуска из 15 или 13.3%

2009 год
5 запусков из 24 или 20.8%

2010 год
4 запуска из 15 или 26.7%

2011 год
5 запусков из 18 или 27.8%

2012 год
6 запусков из 13 или 46.1%

2013 год
8 запусков из 19 или 42%

2014 год
9 запусков из 23 или 39.1%

2015 год
9 запусков из 20 или 45%

2016 год
8 запусков из 22 или 36.4%

2017 год
6 запусков из 29 или 20.7%

2018 год
9 запусков из 31 или 29%

Как видим, самые толстые года с 2012 по 2016. Связано, как нетрудно догадаться, с окончанием эксплуатации шаттлов. После 2016 начали активно летать Falcon 9 и статистика почему-то (?) вернулась к прежним средним значениям. Несколько далёким от национальной катастрофы

* * *