Люди на Луне - Виталий Юрьевич Егоров

NASA отказалось от двигателя F-1 по ряду причин:

● высокая сложность производства – F-1 требовал много ручного труда, который нельзя было автоматизировать;

● одноразовость – после использования первая ступень ракеты Saturn V падала в Атлантический океан и восстановлению не подлежала;

● избыточная мощность для американских средних и легких ракет того времени;

● недостаточная мощность и эффективность для следующей пилотируемой программы Space Shuttle;

● создание более мощных твердотопливных ускорителей с перспективой многоразового использования – каждый из двух боковых ускорителей Space Shuttle развивал тягу почти вдвое больше, чем один F-1, предполагалось их возвращение на парашютах, т. е. многоразовое использование.

Конечно, создатели F-1 и Saturn V надеялись на продолжение эксплуатации результатов их колоссальной работы. Например, предлагалась схема запуска космического челнока при помощи Saturn V. Что-то похожее реализовал Советский Союз в программе «Энергия – Буран». Но конструкция шаттла с отделяемым топливным баком, боковыми ускорителями и многоразовыми маршевыми двигателями победила в конкурсе.

Компания-разработчик двигателя F-1 – Rocketdyne – получила контракт на менее мощные, но более эффективные кислород-водородные двигатели RS-25 многоразового использования. На их фоне в три раза более тяжелый, чадящий кислород-керосиновый F-1 выглядел прошлым веком. Создатели F-1 частично участвовали в разработке следующих поколений ракетных двигателей, применяя накопленный опыт, но таких огромных двигателей им уже не заказывали из-за отсутствия необходимости.

В 2000-е годы, когда NASA задумалось о преемнике программы Space Shuttle и решило создать новую сверхтяжелую ракету Space Launch System (SLS), о двигателе F-1 снова вспомнили. В 2012 году NASA объявило конкурс на лучшую конструкцию боковых ускорителей будущей ракеты SLS. Компания Pratt & Whitney предложила ускорители на базе пары F-1. «Воскресить» ветерана космонавтики решили молодые сотрудники Центра имени Маршалла. Они взяли один из сохранившихся двигателей, разобрали его и создали трехмерные модели всех деталей. Это позволило создать цифровые чертежи F-1 и предложить ряд усовершенствований. Кроме того, провели испытание газогенератора старого двигателя, собранного по новым чертежам. Обновленную модель двигателя назвали F-1B, но в конкурсе SLS она проиграла твердотопливным ускорителям, подобным Space Shuttle, только длиннее.

Причины отсутствия интереса NASA к двигателю F-1 во многом остались прежние: высокая цена, одноразовость, сложность производства и т. п. Дополнительный экономический фактор: производство обновленных двигателей F-1 придется разворачивать практически с нуля, а производство твердотопливных ускорителей уже налажено серийно и не требует каких-либо дополнительных расходов. Проект, требующий закрытия одного завода и открытия нового без какого-либо заметного выигрыша, выглядит слишком нерационально.

Как видим из сравнения, F-1 серьезно отстает в удельном импульсе от всех жидкостных ракетных двигателей. Удельный импульс – это показатель скорости, с которой выбрасывается из двигателя реактивная струя. Скорость зависит от типа топлива, типа двигателя и давления в камере сгорания. Чем выше удельный импульс двигателя, тем эффективнее используется топливо: при одинаковой тяге двигатель с меньшим удельным импульсом потратит больше топлива. Советский двигатель РД-170 был, так же как и F-1, кислород-керосиновым, но за счет закрытого цикла использования топлива расходовал его эффективнее и с бóльшим удельным импульсом. Конструкторы в США сделали ставку на твердотопливные ускорители, которые имели удельный импульс даже меньше F-1, но вдвое бóльшую тягу.

В итоге F-1 проиграл конкурентам либо по эффективности, либо по тяге и сегодня не востребован в космонавтике, хоть и доступен для восстановления производства в модифицированном виде F-1B.

Какое наследие оставила программа Apollo, кроме двигателя F-1?

КРАТКИЙ ОТВЕТ: Программа Apollo оставила значительное технологическое наследие, которое использовали в программе Space Shuttle, а часть разработок используется и в современной лунной программе США Artemis («Артемида»). Главное наследие Apollo – это опыт, который позволил реализовать очень сложную программу Space Shuttle.

В пилотируемой лунной программе промышленность США совершила немало технологических прорывов. Американская космонавтика достигла наивысшего уровня на планете, создав сверхтяжелую ракету Saturn V, межпланетный космический корабль Apollo, мощнейший однокамерный жидкостный ракетный двигатель F-1, скафандр для длительных выходов в открытый космос A7L. После Луны программа Apollo продолжилась в полете долговременной орбитальной станции Skylab и первой международной стыковке в космосе «Союз» – «Аполлон». Сегодня в США возобновляется лунная пилотируемая программа, и она предполагает использование прежнего опыта и технологий.

После 1975 года программу Apollo закрыли, и космонавтика США сконцентрировалась на новой амбициозной программе Space Shuttle, которая состояла в разработке многоразового орбитального ракетоплана. Многое из наработок лунной программы осталось в прошлом: и капсульный космический корабль, и сверхтяжелая ракета, и самый мощный на то время жидкостный двигатель. Шаттлы так сильно отличались от Apollo, что могло показаться, будто лунная программа не оставила после себя никакого наследства. Это кажется странным, учитывая масштаб работы и количество технологий, которые требовались для достижения Луны.

С конца 2000-х годов американская космонавтика вновь нацелилась на Луну, но для этого пришлось потратить немало времени и средств, будто не сохранилось никаких достижений прежних полетов. Если же углубиться в технические детали, то окажется, что очень многое из лунной программы Apollo осталось в американской космонавтике и в некоторых случаях используется по сей день почти без изменений. Разберем конкретные примеры элементов и технологий, кроме двигателя F-1, которые сделали реальностью полет человека на Луну в 1960-е и не забыты сегодня.

РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ J-2

Двигатель J-2, который размещался на второй и третьей ступенях ракеты Saturn V, всегда находился в тени более известного и внушительного F-1, и его судьбой интересуются меньше. Между тем технологии J-2 оказались более востребованными. Хотя сами двигатели после пусков Saturn V больше не эксплуатировались, их технологии получили развитие в виде двигателя RS-25 через посредника – двигатель HG-3, который не совершал полетов. RS-25 стали главными двигателями Space Shuttle, причем использовались до десяти раз каждый. Сейчас RS-25 по-прежнему востребованы и готовятся к полетам в качестве двигателя центрального блока сверхтяжелой ракеты SLS, которой предстоят запуски на Луну.

Все кислород-водородные двигатели США, разработанные и произведенные компанией Aerojet Rocketdyne, являются одной линейкой последовательного развития: J-2, HG-3, RS-25, RS-68. Последний в этой цепочке – самый мощный кислород-водородный двигатель. RS-68 создавался уже 1990-е, его тяга почти на треть превышает характеристики RS-25, при этом конструкция проще и цена ниже в два с половиной раза.

РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СПУСКАЕМОЙ СТУПЕНИ ЛУННОГО МОДУЛЯ

Нижняя ступень лунного модуля оснащалась одним маршевым двигателем, названным Lunar Module Descent Engine (LMDE). Этот двигатель развивал около 4,6 т тяги и обеспечивал торможение для понижения орбиты и мягкой посадки на Луну. Конструкция двигателя была максимально проста для повышения надежности. На двигателе не было топливной турбины, а подача горючего и окислителя под давлением