Введение

Космический челнок и главный двигатель SLS Aerojet Rocketdyne RS 25, также известный как главный двигатель космического челнока (SSME). Основной инжектор и купольное соединение привариваются к горячему газовому коллектору, а MCC также крепится к горячему газовому коллектору. Эти материалы обладают значительно более низкой теплопроводностью, чем металлические сплавы, что обеспечивает более эффективное сгорание и снижает требования к охлаждению. ТБК – это тонкие слои керамических оксидов, наносимые на металлические компоненты и служащие тепловым барьером между горячими газообразными продуктами сгорания и металлической оболочкой. Нанесение TBC на оболочку из Inconel 718 в процессе производства может увеличить срок службы двигателя и снизить затраты на охлаждение. Кроме того, композиционные материалы на керамической матрице (КМК) изучаются как замена никелевым суперсплавам и состоят из высокопрочных волокон (BN, C), равномерно распределенных в матрице SiC. MCC, изготовленный из КМК, хотя и менее изучен и его реализация более отдалена, чем применение TBC, может обеспечить беспрецедентный уровень эффективности двигателя.

Дюзл

Сопло двигателя имеет большую длину, с диаметром в горле и на выходе. Сопло представляет собой колоколообразное расширение, прикрепленное к основной камере сгорания, именуемое соплом де Лаваля. Сопло RS 25 имеет необычно большое отношение расширения (около 69:1) для давления в камере. На уровне моря сопло с таким отношением, как правило, подвергается отрыву потока от стенок, что вызывает трудности с управлением и может даже привести к механическим повреждениям аппарата. Однако, для облегчения работы двигателя, инженеры Rocketdyne изменили угол наклона стенок сопла от теоретически оптимального для тяги, уменьшив его вблизи выходного сечения. Это повышает давление вблизи кромки до абсолютного значения между , и предотвращает отрыв потока. Внутренняя часть потока находится под значительно более низким давлением, около или ниже. Внутренняя поверхность каждого сопла охлаждается жидким водородом, циркулирующим по каналам охлаждения, образованным паяными трубками из нержавеющей стали. На космическом шаттле опорное кольцо, приваренное к передней части сопла, является точкой крепления двигателя к тепловому щиту орбитального аппарата. Термозащита необходима из-за воздействия на сопло во время фаз запуска, подъема, работы на орбите и схода с орбиты. Изоляция состоит из четырех слоев металлической ваты, покрытых металлической фольгой и экранированием. Позднее система была модернизирована до системы, состоящей из двух дублированных процессоров Motorola 68000 (M68000) (в общей сложности четыре M68000 на контроллер). Установка контроллера непосредственно на двигателе значительно упрощает проводку между двигателем и ракетой-носителем, поскольку все датчики и исполнительные механизмы подключены непосредственно только к контроллеру, а каждый MEC затем подключается к бортовым компьютерам общего назначения (GPC) орбитального аппарата или к авионике SLS через собственный блок интерфейса двигателя (EIU). Использование выделенной системы также упрощает программное обеспечение и, следовательно, повышает его надежность. Два независимых компьютера с двойным процессором, A и B, формируют контроллер, обеспечивая резервирование системы. Отказ системы управления A автоматически приводит к переключению на систему управления B без снижения функциональности; последующий отказ системы управления B приведет к плавному выключению двигателя. В каждой системе (A и B) два процессора M68000 работают синхронно, что позволяет каждой системе обнаруживать сбои путем сравнения уровней сигналов на шинах двух процессоров M68000 в этой системе. Если между двумя шинами обнаруживаются различия, генерируется прерывание и управление передается другой системе. Из-за незначительных различий между процессорами M68000 производства Motorola и второго поставщика TRW, каждая система использует процессоры M68000 одного и того же производителя (например, система A будет оснащена двумя процессорами Motorola, а система B – двумя процессорами производства TRW). Память для контроллеров блока I была реализована на основе покрытой проволокой технологии, функционирующей аналогично магнитной ячеистой памяти и сохраняющей данные даже после отключения питания. Контроллеры блока II использовали обычную статическую оперативную память CMOS.

Главные клапаны

Для управления выходной мощностью двигателя, MEC управляет пятью гидравлически приводимыми в действие клапанами топлива на каждом двигателе: окислителем предварительной камеры сгорания, топливом предварительной камеры сгорания, основным окислителем, основным топливом и клапанами охлаждения камеры сгорания. В аварийной ситуации клапаны могут быть полностью закрыты с использованием системы подачи гелия двигателя в качестве резервной системы привода. Это позволяет изменять вектор тяги двигателя, тем самым направляя аппарат в нужное положение. Относительно большой диапазон отклонения вектора тяги необходим для компенсации момента тангажа, возникающего из-за постоянно меняющегося центра масс по мере сгорания топлива в полете и после отделения ускорителя. Подшипниковый узел имеет массу приблизительно , изготовлен из титанового сплава. Турбонасосы низкого давления для кислорода и топлива были установлены на расстоянии 180° друг от друга на хвостовой части фюзеляжа орбитального аппарата. Линии от турбонасосов низкого давления к турбонасосам высокого давления содержат гибкие сильфоны, которые позволяют турбонасосам низкого давления оставаться неподвижными, в то время как остальная часть двигателя отклоняется для управления вектором тяги, а также для предотвращения повреждения насосов при приложении к ним нагрузок. Линия подачи жидкого водорода от турбонасоса низкого давления (LPFTP) к турбонасосу высокого давления (HPFTP) изолирована для предотвращения образования жидкого воздуха. По мере сокращения финансирования программы "Аполлон" проект HG 3 был отменен, а также модернизированные двигатели F 1, которые уже проходили испытания. Именно конструкция HG 3 легла в основу RS 25. Тем временем, в 1967 году ВВС США профинансировали исследование передовых ракетных двигательных установок для использования в рамках проекта Isinglass, поручив Rocketdyne изучить двигатели с аэропикой, а Pratt & Whitney (P&W) – более эффективные двигатели традиционного типа с соплом де Лаваля. По завершении исследования P&W представила предложение на двигатель мощностью 250 000 фунтов силы под названием XLR 129, который использовал двухпозиционное расширяющееся сопло для повышения эффективности в широком диапазоне высот. В январе 1969 года NASA заключила контракты с General Dynamics, Lockheed, McDonnell Douglas и North American Rockwell на начало ранней разработки космического челнока. ), что позволяло проверить их характеристики перед зажиганием твердотопливных ускорителей космического челнока (SRB), что означало начало запуска. При запуске двигатели работали на 100% RPL, с последующим увеличением до 104,5% сразу после отрыва от земли. Двигатели поддерживали этот уровень мощности примерно до T+40 секунд, после чего мощность снижалась до примерно 70% для уменьшения аэродинамических нагрузок на конструкцию шаттла при прохождении области максимального динамического давления, или max q. Всего в рамках программы Space Shuttle было использовано 46 многоразовых двигателей RS 25, каждый из которых стоил около 40 миллионов долларов США. Каждый новый или отремонтированный двигатель, поступающий в летный парк, должен был пройти летную квалификацию на одном из испытательных стендов в космическом центре имени Стенниса перед полетом.

Обновления

В ходе программы космического шаттла RS 25 прошел ряд модернизаций, включая изменения камеры сгорания, улучшенные сварные швы и изменения турбонасоса в стремлении повысить производительность и надежность двигателя и, следовательно, снизить объем технического обслуживания, необходимого после использования. В результате в ходе программы использовалось несколько версий RS 25: FMOF (первый пилотируемый орбитальный полет): сертифицирован на 100% номинальной мощности (RPL). Использовался для орбитальных испытательных миссий STS 1 – STS 5 (двигатели 2005, 2006 и 2007). Фаза I: использовался для миссий STS 6 – STS 51-L, двигатель Фазы I предлагал увеличенный срок службы и был сертифицирован на 104% RPL. Был заменен на Фазу II после катастрофы «Челленджер». Фаза II (RS 25A): впервые использован на STS 26, двигатель Фазы II предлагал ряд улучшений безопасности и был сертифицирован на 104% RPL и 109% полного уровня мощности (FPL) в случае возникновения нештатной ситуации. Блок I (RS 25B): впервые использован на STS 70, двигатели Блока I предлагали улучшенные турбонасосы с керамическими подшипниками, вдвое меньше вращающихся частей и новый процесс литья, уменьшающий количество сварных швов. Улучшения Блока I также включали новую двухканальную головку питания (вместо оригинальной конструкции с тремя каналами, подключенными к HPFTP, и двумя к HPOTP), что способствовало улучшению потока горячих газов, а также улучшенный теплообменник двигателя. Блок IA (RS 25B): впервые использован на STS 73, двигатель Блока IA предлагал улучшения основного инжектора. Блок IIA (RS 25C): впервые использован на STS 89, двигатель Блока IIA был промежуточной моделью, использовавшейся в то время, пока определенные компоненты двигателя Блока II не завершили разработку. Изменения включали новую камеру сгорания с большим горлом (которая первоначально была рекомендована Rocketdyne в 1980 году), улучшенные турбонасосы низкого давления и сертификацию на 104,5% RPL для компенсации снижения удельного импульса (первоначальные планы предусматривали сертификацию двигателя на 106% для тяжелых полезных нагрузок Международной космической станции, но это не потребовалось и сократило бы срок службы двигателя). Несколько модифицированная версия впервые использовалась на STS 96. Блок II (RS 25D): впервые использован на STS 104, модернизация Блока II включала все улучшения Блока IIA, а также новый турбонасос топлива высокого давления. Эта модель была наземно испытана на 111% FPL в случае аварийного отключения и сертифицирована на 109% FPL для использования во время штатного отключения. RS 25E: будет использоваться в космической пусковой системе для будущих миссий программы «Артемида», начиная с «Артемиды-5», поскольку запас RS 25D намеренно истощается. В отличие от предыдущих версий, этот двигатель предназначен для одноразового использования. Головка питания почти полностью переработана (по состоянию на 2023 год конкретные изменения конструкции по сравнению с 25D не были объявлены) и предназначена для включения различных мер по снижению затрат и инноваций в производстве. Первый испытательный двигатель E10001 прошел все квалификационные и приемочные испытания в Космическом центре НАСА в Стеннисе и продемонстрировал как 113% FPL, так и 30% увеличение тяги при 113% мощности. Эти увеличения уровня регулирования тяги существенно повлияли на тягу, создаваемую двигателем: STS 51-F – двигатель № 2 вызвал отключение RSLS на T-3 секунды из-за неисправности клапана охлаждающей жидкости. STS 55 – двигатель № 3 вызвал отключение RSLS на T-3 секунды из-за утечки в его предварительном контрольном клапане жидкого кислорода. STS 51 – двигатель № 2 вызвал отключение RSLS на T-3 секунды из-за неисправного датчика водородного топлива. STS 68 – двигатель № 3 (2032) вызвал отключение RSLS на T-1,9 секунды, когда датчик температуры в его HPOTP превысил предельное значение. STS 93 – произошло короткое замыкание электрической проводки в T+5 секунд, вызвавшее пониженное напряжение, что привело к дисквалификации контроллеров SSME1A и SSME3B, но не потребовало отключения двигателя. Кроме того, золотой штифт диаметром 0,1 дюйма и длиной 1 дюйм, использовавшийся для заглушки отверстия окислителя (неуместное корректирующее действие SSME, исключенное из парка путем перепроектирования), отсоединился внутри главного инжектора двигателя и ударился о внутреннюю поверхность сопла двигателя, разорвав три водородные линии охлаждения. В результате трех пробоин произошла утечка, что привело к преждевременному отключению двигателя, когда четыре внешних датчика LO в баке зафиксировали его опустошение, что привело к отключению основных двигателей на низком уровне и несколько раннему отключению основных двигателей с пониженной скоростью и на 8 морских миль меньшей высоте.

Созвездие

В период, предшествующий окончательному выводу из эксплуатации космических челноков, было предложено несколько планов относительно дальнейшей судьбы оставшихся двигателей – от сохранения всех НАСА до передачи (или продажи по цене от 400 000 до 800 000 долларов США за каждый) различным организациям, таким как музеи и университеты. Эта политика была обусловлена изменениями в планируемых конфигурациях грузовой ракеты-носителя Ares V и ракеты-носителя экипажа Ares I программы Constellation, которые изначально предполагалось оснастить двигателями RS 25 на первой и второй ступенях соответственно. Двигатели не подлежали повторному использованию, поскольку должны были быть надёжно закреплены на сбрасываемых ступенях. Перед установкой и запуском каждый двигатель должен был пройти стендовые испытания, после которых требовалась его переработка. Преобразование наземного RS 25D в версию с воздушным запуском для второй ступени Ares I было бы дорогостоящим, трудоёмким и привело бы к увеличению веса. После ряда изменений в конструкции ракет Ares I и Ares V, двигатель RS 25 должен был быть заменен одним двигателем J 2X для второй ступени Ares I и шестью модифицированными двигателями RS 68 (основанными как на SSME, так и на двигателе J 2 эпохи Apollo) на основной ступени Ares V; таким образом, двигатель RS 25 должен был быть выведен из эксплуатации одновременно с парком шаттлов.

Космическая система запуска

14 сентября 2011 года, после завершения программы Space Shuttle, НАСА объявило о разработке новой ракеты-носителя, известной как Space Launch System (SLS), для замены парка шаттлов. Конструкция SLS включает в себя двигатель RS 25 в качестве части первой ступени, при этом различные версии ракеты оснащаются от трех до пяти двигателей. Первые полеты новой ракеты-носителя используют ранее использованные двигатели Block II RS 25D, которые НАСА хранит в "очищенной и безопасной" среде в Космическом центре имени Стенниса, "вместе со всеми наземными системами, необходимыми для их обслуживания". Для миссии "Артемида-1" были использованы двигатели RS 25D с серийными номерами E2045, E2056, E2058 и E2060, взятые со всех трех орбитальных аппаратов. Они были установлены на первую ступень к 6 ноября 2019 года. Для миссии Artemis 2 будут использованы двигатели с серийными номерами E2047, E2059, E2062 и E2063. Они были установлены на первую ступень к 25 сентября 2023 года. Помимо двигателей RS 25D, программа SLS использует основные двигательные системы (MPS, "трубопроводы", подающие топливо к двигателям) из трех оставшихся шаттлов для проведения испытаний (демонтированных в процессе вывода орбитальных аппаратов из эксплуатации). Первоначально предполагалось, что первые два запуска ("Артемида-1" и "Артемида-2") будут использовать аппаратное обеспечение MPS, полученное от шаттлов, и на их первых ступенях. Топливо для двигателей SLS подается с первой ступени ракеты, которая состоит из модифицированного внешнего бака Space Shuttle с трубопроводами и двигателями MPS в хвостовой части и межступенчатой конструкцией в верхней части. Установка оборудования начнется на комплексе обработки для космической станции в Кеннеди с миссии "Артемида-3". После исчерпания запасов двигателей RS 25D они будут заменены более дешевой, одноразовой версией, обозначенной как RS 25E. 1 мая 2020 года НАСА продлило контракт на производство 18 дополнительных двигателей RS 25 с сопутствующими услугами на сумму 1,79 миллиарда долларов, доведя общую стоимость контракта SLS почти до 3,5 миллиарда долларов. 29 августа 2022 года запуск "Артемиды-1" был отложен из-за проблемы с инженерными датчиками на двигателе RS 25D №3 (серийный номер E2058), которые ошибочно сообщали о том, что он не охладился до оптимальной рабочей температуры. 16 ноября 2022 года "Артемида-1" стартовала с космодрома 39B Космического центра Кеннеди. Это был первый полет двигателя RS 25 после последнего полета шаттла STS-135 21 июля 2011 года.

Испытания двигателя

В 2015 году была проведена тестовая кампания для определения характеристик двигателя RS 25 с новым блоком управления, при более низких температурах жидкого кислорода, повышенном давлении на входе, обусловленном увеличенным размером бака жидкого кислорода на основной ступени SLS, и более высоком ускорении ракеты-носителя, а также при усиленном нагреве сопла из-за конфигурации из четырех двигателей и его расположения в плоскости с выхлопными соплами ускорителей SLS. Также планировалось испытать новую теплозащитную изоляцию. 28 мая (450 секунд), 11 июня (500 секунд), 25 июня (650 секунд), 17 июля (535 секунд), 13 августа (535 секунд) и 27 августа (535 секунд). После этих испытаний еще четыре двигателя должны были приступить к новому циклу тестов. 28 февраля 2019 года NASA провело 510-секундный испытательный запуск опытного двигателя RS 25 с тягой, равной 113% от расчетной, в течение более 430 секунд – примерно в четыре раза дольше, чем любое предыдущее испытание на этом уровне тяги. 16 января 2021 года двигатели RS 25 были вновь запущены в рамках программы Artemis в ходе огневых испытаний. Изначально тест был запланирован на 8 минут, но был прекращен на 67-й секунде из-за превышения намеренно консервативных параметров испытаний в гидравлической системе вспомогательного силового агрегата (CAPU) основной ступени двигателя №2 (серийный номер E2056) во время проверки системы управления вектором тяги (TVC). CAPU двигателя №2 был автоматически выключен, однако, если бы эта проблема возникла в полете, она не привела бы к аварийному прекращению миссии, поскольку остальные CAPU способны обеспечивать работу систем TVC всех четырех двигателей. Двигатель также испытал другую "Критическую неисправность компонента" в системе управления двигателем, вызванную отказом измерительного оборудования. Это привело бы к отмене обратного отсчета перед запуском в случае реальной попытки запуска. 18 марта 2021 года четыре двигателя RS 25 были вновь запущены в рамках второго огневого испытания основной ступени SLS, которое длилось все 500 секунд, успешно подтвердив готовность основной ступени Artemis 1 к полету. 14 декабря 2022 года был предпринят 500-секундный огневой тест опытного двигателя RS 25E (серийный номер E10001). Тест был прерван на T+209.5 из-за того, что системы испытаний интерпретировали сигналы от группы некорректно настроенных акселерометров во время огневого испытания как превышение допустимых пределов вибрации. Испытания двигателя продолжались в 2023 году: 8 февраля 2023 года двигатель был запущен на 500 секунд при мощности 111%, оснащенный новым серийным соплом. Последующие тесты включали 600-секундный тест при мощности 111% 22 февраля, 520-секундный тест при мощности 113% 8 марта, 600-секундный тест при мощности 113% 21 марта, 500-секундный тест при мощности 113% 5 апреля, 720-секундный запуск, в ходе которого была проверена система управления вектором тяги двигателя 26 апреля, 630-секундный тест 10 мая и еще пять 500-секундных тестов при мощности 113% без отклонения вектора тяги 23 мая, 8 июня, 15 июня и 22 июня. Опытный двигатель RS 25E E0525, включающий в себя значительное количество новых компонентов, в том числе переработанное сопло, гидравлические приводы, гибкие воздуховоды и турбонасосы, был подвергнут огневым испытаниям на уровне мощности 111% в течение 550 секунд в рамках первого из серии сертификационных тестов, начатых 17 октября 2023 года. Он был испытан на уровне мощности 113% в течение 500 секунд 15 ноября, на уровне 113% в течение 650 секунд с отклонением вектора тяги 29 ноября 2023 года, на уровне 113% в течение 500 секунд 17 января, 23 января и 29 января 2024 года, на уровне 113% в течение 550 секунд 23 февраля, на уровне 111% в течение 615 секунд 29 февраля, на уровне 113% в течение 600 секунд 6 марта и 500 секунд 22, 27 марта и 3 апреля.

XS-1

24 мая 2017 года DARPA объявила о выборе компании Boeing для завершения разработки по программе XS 1. В качестве технологического демонстратора планировалось использовать двигатель Aerojet Rocketdyne AR 22. AR 22 являлся модификацией RS 25, для которого компоненты были взяты из запасов Aerojet Rocketdyne и NASA, оставшихся от ранних версий двигателя. В июле 2018 года Aerojet Rocketdyne успешно провела десять 100-секундных испытаний AR 22 в течение десяти дней. 22 января 2020 года Boeing объявила о выходе из программы XS 1, что исключило дальнейшее использование AR 22.