Маленький гигант большого космоса. Разгонный блок "Центавр"
Что приходит на ум при словах "Символ космической программы Соединенных Штатов Америки"? Мощнейший из летавших комплекс Аполлон - Сатурн-V, единственный, сумевший вывести людей за границы земного притяжения? Величественный Спейс Шаттл, первый по настоящему многоразовый корабль? В общем - да. Но их всех не было бы, или они были бы совсем другими, если бы не он - маленький трудяга, вытащивший на себе основную научную программу НАСА на начальном этапе космического пути, да так и продолжающий нести свою службу, вот уже почти три четверти века.
Разгонный блок Центавр.
Глядя на его историю, можно подумать, что старик Врунгель был прав, и как вы яхту назовете - так она и поплывет. Центавр - это и рабочая лошадка НАСА, выполняющая самую ответственную задачу - итоговый доразгон полезной нагрузки, и, при этом, он эффективный управленец, способный самостоятельно рулить всем полетом ракеты, начиная от отрыва от стартового стола и до того момента, когда полезная нагрузка отделится и начнет свой самостоятельный, порой длящийся десятилетиями, полет. Сочетание двух функций, так же, как в мифологическом кентавре соединялось человеческое и лошадиное.
На самом деле, большего трудяги и универсала, чем Центавр - стоило бы поискать. Он настолько хорош, настолько удачна его в общем-то несложная конструкция - что он летал буквально на всех проектах НАСА, которым только удавалось оторваться от Земли. Даже в Сатурне отметился, хотя и только двигателями.
Кстати, о двигателях. Центавр немыслим без своего двигателя - RL-10, почти гениального произведения Рокетдайна. Это относительно простой и очень эффективный двигатель на цикле фазового перехода.
Как известно, что чем больше давление в камере сгорания - тем при прочих равных эффективнее двигатель - а самый легковесный способ повысить это самое давление - это накачать в камеру сгорания компоненты топлива насосом. Насос надо чем-то приводить, и опять же, самый легкий тип привода (а формула Циолковского жесточайшим образом стимулирует нас использовать оборудование минимального веса) - это турбина. Но турбине для работы нужен газ, и его желательно где-то взять. Обычный двигатель открытого цикла предполагает, что часть топлива сожгли в отдельной камере сгорания, получившимся газом прокрутили турбину и выбросили отработанный газ за борт. Так работает, например, масковский Мерлин. Минусы понятны - у нас лишний вес газогенератора и лишний риск (хоть и очень маленький), что генератор взорвется. С другой стороны, турбину приходится делать относительно жаростойкой - температура рабочего тела высока, достигает сотен градусов. Но любой ракетный двигатель нуждается в охлаждении сопла - нет толком материалов, способных выдержать околозвездную температуру химической реакции в камере сгорания. И вот тут возник вопрос - а почему бы не использовать это самое тепло для разогрева газа для подачи на турбину? Так и работает двигатель на цикле фазового перехода - очень, очень холодный жидкий водород (всего 20 градусов Кельвина, всего на 20 градусов теплее абсолютного нуля) подается в трубки, обвивающие сопло. И там этот газ разогревается, забирая тепло от сопла, разогреваясь на сотни градусов и расширяясь в многие разы - увеличивая давление. И вот этот "горячий" газ и идет на турбину. Почему Горяий в кавычках? Потому что он горячий для нас - пара-тройка сотен градусов цельсия. А для материала турбины этот газ весьма холодный - даже намного более простую автомобильную турбину крутят газы температурой в 800+ градусов. В итоге турбину можно делать простую и относительно недорогую. А ещё двигатель имеет жесткое ограничение на максимальную тягу - площадь сопла может прогреть до рабочих температур только конечное количество газа. Если газа попадет больше - его температура и давление будут ниже, турбина не разовьет большую мощность и в камеру сгорания не попадет лишнего окислителя. В итоге двигатель чисто технически не может выйти на запредельные значения давления. Отрицательная обратная связь работает безотказно.
Но зачем тогда вообще нужны все эти двигатели закрытого цикла, все эти сложнейшие турбонасосы сверхвысоких давлений и температур? Ведь есть такая удобная и простая схема1
К сожалению, в дело вступает крайне неприятный закон. Закон квадрата-куба. Для роста количества прогреваемого газа площадь сопла должна расти быстрее, чем мощность двигателя. В итоге точка равновесия, в которой схема с фазовым переходом уравнивается по массовой эффективности с традиционной схемой - это около 9 тонн тяги. Всё, что больше - уже эффективнее газогенераторные турбонасосные схемы. RL-10 как раз на самой границе. В зависимости от модификации - от 6800 кгс у самых ранних до 11.2 кгс у последних версий, в которых для максимальной тяги использовали множество ухищрений. Другой плюс этого двигателя - он малочувствителен к загрязнению. Проводили эксперимент - в бак насыпали куски обшивки - и двигатель успешно отрабатывал на стенде. Для газогенераторных двигателей попадание посторонних предметов в газогенератор приводит к взрыву в 95% случаев.
В итоге удачный двигатель и удачная система управления, а так же модульная схема - обеспечили Центавру очень, очень долгую жизнь. И скорее всего - ещё не раз и не два старый безотказный трудяга понесет в космос полезную нагрузку.
Старый, но не бесполезный!