Введение
Советский ракетный двигатель
NK-33 и NK-43 — ракетные двигатели, разработанные и построенные в конце 1960-х и начале 1970-х годов в Конструкторском бюро им. Кузнецова. Обозначение NK происходит от инициалов главного конструктора Николая Кузнецова. NK-33 был одним из самых мощных ракетных двигателей на жидком кислороде и керосине (LOX/RP-1) на момент создания, отличаясь высоким удельным импульсом и низкой конструктивной массой. Они предназначались для злополучной советской лунной ракеты N1F, являвшейся модернизированной версией N1. Ракетный двигатель NK-33A в настоящее время используется на первой ступени ракеты-носителя «Союз-2.1в». Когда запасы двигателей NK-33 будут исчерпаны, Россия начнет поставки нового ракетного двигателя РД-193. Ранее эти двигатели использовались в качестве двигателей первой ступени ракет серии Antares 100, однако они были перемаркированы как AJ-26, а в более новых ракетах Antares 200 и Antares 200+ для двигателей первой ступени используется РД-181, который является модификацией РД-191, но сохраняет некоторые характеристики, такие как одна камера сгорания, в отличие от двух камер сгорания в РД-180 для ракеты Atlas V и четырех камер сгорания в РД-170 для ракетных семейств «Энергия» и «Зенит», а также двигателей РД-107, РД-108, РД-117 и РД-118, используемых во всех модификациях ракеты «Союз».
Дизайн
Двигатели серии NK 33 – это высоконапорные, регенеративно охлаждаемые ракетные двигатели, работающие по схеме ступенчатого сгорания с использованием богатой кислородом смеси двухкомпонентного топлива. Турбонасосам требуется переохлажденный жидкий кислород (LOX) для охлаждения подшипников. Соединенные Штаты приступили к изучению технологий сгорания, богатого кислородом, только с началом проекта Integrated Powerhead Demonstrator в начале 2000-х годов. Советские инженеры, однако, достигли совершенства в металлургии, лежащей в основе этого метода. Сопло изготавливалось из гофрированного металла, соединенного пайкой с внешней и внутренней облицовкой, что обеспечивало простую, легкую, но прочную конструкцию. Кроме того, поскольку в NK 33 используются LOX и RP-1 в качестве топлива с близкими значениями плотности, для привода обоих турбонасосов можно было использовать один вращающийся вал. Двигатель NK 33 обладает одним из самых высоких соотношений тяги к весу среди всех ракетных двигателей, предназначенных для запуска с Земли; только двигатели NPO Energomash RD 253, SpaceX Merlin 1D и SpaceX Raptor демонстрируют более высокое соотношение. Удельный импульс NK 33 значительно превосходит удельный импульс этих двигателей. NK 43 аналогичен NK 33, но предназначен для верхней ступени, а не для первой. Он имеет более длинное сопло, оптимизированное для работы на высоте, где атмосферное давление минимально или отсутствует. Это обеспечивает более высокую тягу и удельный импульс, но увеличивает длину и вес двигателя. Соотношение тяги к весу составляет около 120:1. Предшественниками NK 33 и NK 43 являются более ранние двигатели NK 15 и NK 15V соответственно. Технология, богатая кислородом, нашла свое продолжение в двигателях RD 170/171, их модификации RD 180, а также в недавно разработанных версиях RD 191, однако эти двигатели не имеют прямой связи с NK 33, за исключением технологии ступенчатого сгорания, богатой кислородом, керосинового/RP-1 топлива, а в случае RD 191 и его вариантов, таких как RD 193 и RD 181 – единой камеры сгорания вместо нескольких камер, использовавшихся в предыдущих российских ракетных двигателях.
N-1
На первом этапе ракеты-носителя N 1 изначально использовались двигатели NK 15, а на втором этапе – высотная модификация (NK 15V). После четырех последовательных неудачных запусков и отсутствия успехов проект был отменен. Пока другие аспекты ракеты модифицировались или перепроектировались, Кузнецов усовершенствовал свои разработки в двигатели NK 33 и NK 43 соответственно. Ракета второго поколения должна была называться N 1F. К этому времени лунная гонка была окончательно проиграна, и советская космическая программа рассматривала «Энергию» в качестве тяжелой ракеты-носителя. Ни одна N 1F так и не достигла стартовой площадки. Когда программа N 1 была закрыта, было приказано уничтожить все работы по проекту. Однако один чиновник вместо этого забрал двигатели, каждый из которых стоил миллионы долларов, и поместил их на склад. Слухи о двигателях в конечном итоге дошли до США. Почти через 30 лет после их создания, инженеров-ракетчиков привели к складу. Один из двигателей позже был доставлен в США, где на испытательном стенде продемонстрировали его точные характеристики. В этой конструкции полностью нагретый жидкий кислород проходит через предкамеру сгорания и поступает в основную камеру. Чрезвычайно горячая, богатая кислородом смесь делала двигатель опасным: известно, что он расплавлял толстые отливки «как воск». Одним из предметов споров в Кремле по поводу поставки двигателя в США было сходство его конструкции с конструкцией российских двигателей межконтинентальных баллистических ракет. Конструкция NK 33 была использована при создании более позднего двигателя RD 180, который в два раза превышал NK 33 по размерам. Двигатели RD 180 использовались (по состоянию на 2016 год) для приведения в действие ракеты Atlas V. Эта компания также приобрела лицензию на производство новых двигателей. Во время испытаний двигателя в Сакраменто он достиг заявленных характеристик. Aerojet модифицировала и переименовала обновленные NK 33 в AJ26 58, AJ 26 59 и AJ26 62, а NK 43 – в AJ26 60.
Кистлер К-1
Kistler Aerospace, позже переименованная в Rocketplane Kistler (RpK), проектировала свою ракету K 1 на базе трех двигателей NK-33 и одного NK-43. 18 августа 2006 года NASA объявила о выборе RpK для разработки Коммерческих орбитальных транспортных услуг для Международной космической станции. Планировалось осуществить демонстрационные полеты в период с 2008 по 2010 год. RpK могла получить до 207 миллионов долларов США при выполнении всех этапов, установленных NASA, однако 7 сентября 2007 года NASA направила уведомление о невыполнении обязательств, предупреждающее о расторжении соглашения COTS с Rocketplane Kistler в течение 30 дней из-за невыполнения RpK ряда контрактных этапов.
Антарес
Начальная версия ракеты-носителя Antares имела две модифицированные ракетные двигатели NK-33 в первой ступени, твердотопливную вторую ступень на основе Castor 30 и опциональную твердотопливную или гиперголическую третью ступень. Двигатели NK-33 были импортированы из России в Соединенные Штаты, модифицированы и переобозначены как Aerojet AJ26. Это включало удаление части электрической проводки, добавление американской электроники, адаптацию к использованию американского ракетного топлива и модификацию системы управления вектором тяги. Ракета "Антарес" была успешно запущена с космодрома Уоллопс NASA 21 апреля 2013 года. Это был первый успешный запуск двигателей семейства NK-33, построенных в начале 1970-х годов. Aerojet согласилась восстановить достаточное количество двигателей NK-33 для выполнения контракта NASA Commercial Resupply Services на 16 полетов для Orbital. Кроме того, у компании имелся запас из 23 двигателей, произведенных в 1960-х и 1970-х годах. Поскольку компания "Кузнецов" прекратила производство этих двигателей, Orbital предприняла попытку приобрести двигатели РД-180. Однако, контракт НПО "Энергомаш" с United Launch Alliance помешал этому, в связи с чем Orbital подала в суд на ULA, обвинив компанию в нарушении антимонопольного законодательства. Aerojet предложила сотрудничать с "Кузнецовым" для возобновления производства новых двигателей NK-33, чтобы обеспечить Orbital непрерывными поставками. Тем не менее, производственные дефекты жидкокислородного турбонасоса двигателя, а также конструктивные недостатки гидравлического балансира и опорных подшипников были названы двумя возможными причинами неудачи запуска "Антарес" в 2014 году. 5 ноября 2014 года компания Orbital объявила о решении отказаться от использования первой ступени с двигателями AJ26 и перейти на альтернативный двигатель. 17 декабря 2014 года компания объявила, что будет использовать двигатель НПО "Энергомаш" РД-181 на ракетах-носителях "Антарес" второго поколения и заключила прямой контракт с НПО "Энергомаш" на поставку до 60 двигателей РД-181. На первой ступени ракет серии Antares 100 используются два двигателя.
Текущие и предлагаемые виды использования
РКК "Энергия" предлагает ракету-носитель "Аврора Л. СК", в которой для работы первой ступени будет использоваться двигатель НК-33, а в качестве второй ступени – разгонный блок ДМ СЛ.
"Союз-2-1в"
В начале 2010-х годов семейство ракет-носителей "Союз" было модернизировано за счет использования двигателя НК-33 – его меньший вес и более высокая эффективность позволили увеличить полезную нагрузку, а упрощенная конструкция и использование имеющихся комплектующих могли даже снизить стоимость. ЦСКБ "Прогресс" использует НК-33 в качестве двигателя первой ступени в облегченной версии семейства ракет "Союз", "Союз-2 1в". Двигатель НК-33А, предназначенный для "Союза-2 1в", успешно прошел огневые испытания 15 января 2013 года после серии холодных продувок и системных испытаний полностью собранной ракеты "Союз-1" в 2011–2012 годах. Ракета с двигателем НК-33 окончательно получила обозначение "Союз-2 1в", а ее первый полет состоялся 28 декабря 2013 года. Один двигатель НК-33 заменяет центральный двигатель РД-108 на ракете "Союз", при этом от использования четырех боковых блоков первой ступени отказались. Версия ракеты "Союз" с четырьмя ускорителями, работающими на двигателях НК-33 (по одному двигателю на ускоритель), не была реализована, что привело к уменьшению полезной нагрузки по сравнению с ракетой-носителем "Союз-2".