США запустили к Луне посадочный аппарат "Перегрин" на ракете "Вулкан"
Запуск зонда "Перегрин" с набором луноходов на борту стал примечательным по двум причинам. Во-первых, последнюю американскую посадку на Луну совершили астронавты "Аполлон-17" в 1972 году, и с тех пор туда США не запускали даже роботов. Полет "Перегрин" стал первым в своем роде за почти 50 лет, а запустили его как вспомогательную миссию для планируемых пилотируемых высадок 2026 года. Во-вторых, зонд запустила в ходе дебютного полета ракета "Вулкан", которую ускоренно разрабатывали ради отказа от российских двигателей РД-180.
Впервые за полвека
Старт был произведен с мыса Канаверал во Флориде в понедельник в 10:18 (мск). Полезной нагрузкой ракеты выступил лунный посадочный модуль "Перегрин" компании Astrobotic Technology. Этот аппарат создан по программе Commercial Lunar Payload Services (CLPS) - вспомогательной для Arthemis, в рамках которой США планируют высадить астронавтов на Луну к 2025-26 году. Основная цель CLPS - за счет покупки миссии "под ключ" как услуги у частных подрядчиков радикально сократить стоимость запуска небольших грузов к Луне, в первую очередь, небольших исследовательских аппаратов.
К ним относится и "Перегрин". Он построен на базе универсальной платформы, которую легко переконфигурировать для других полетов со схожей полезной нагрузкой. Ширина аппарата равна 2,5 м, высота 1,9 - это меньше, например, "Луны-25". На Луну "Перегрин" может доставить до 265 кг полезной нагрузки.
Если полет пройдет удачно, то 24 февраля аппарат высадит на поверхность Луны пять мексиканских микролуноходов Colmena диаметром 12 сантиметров и созданный американскими студентами луноход Iris. Он несколько больше Colmena и размером с обувную коробку, что позволило разместить на нем хорошую камеру для анализа геологических образцов. На посадочной платформе установлен набор спектрометров для анализа состава лунного грунта и другие приборы, но их функционал второстепенен: куда важнее на практике доказать, что частная компания способна за небольшие деньги запустить лунную миссию.
"Перегрин" стал первым за более чем 50 лет американским космическим аппаратом, отправленным к поверхности Луны. Последними там были астронавты "Аполлон-17" в 1972 году, а последним американским роботом - "Сервейер-7" в 1968 году.
Кроме того, запуск "Перегрин" стал дебютом для новой американской ракеты "Вулкан" компании ULA.
Импортозамещение по-американски
"Вулкан" - это прямая замена ракете с российскими двигателями Atlas-V, которая служила много лет без нареканий. Ее, например, использовали для запуска миссии New Horizon к Плутону, марсоходов Curiosity и Perseverance, зонда для исследования Юпитера Juno и лунного спутника LRO. Однако в 2014 году из-за политического конфликта между Россией и западными странами в США решили отказаться от российского двигателя и форсировать разработку "Вулкан". Для этого необходимо было так же создать двигатель с аналогичными или лучшими характеристиками.
Его разработкой занималась компания Blue Origin, и к 2017 году она провела первые испытания двигателя, получившего название BE-4. Он работает по закрытому циклу с богатой кислородом смесью, как и РД-180, но использует вместо керосина метан. У BE-4 меньше тяга (2.4 против 3,8 мН), но примерно вдвое меньше диаметр и масса, поэтому на первую ступень "Вулкан" помещаются две единицы. В качестве верхней ступени используется модифицированный старый водородно-кислородный блок Centaur.
Масса доставляемой на низкую околоземную орбиту полезной нагрузки составляет 27 тонн - больше, чем у Atlas V и Falcon 9. Второе особенно важно, поскольку SpaceX и ULA выступают прямыми конкурентами, в особенности на рынке запусков для Минобороны США.
Двигатель BE-4 планируют использовать и в New Glenn - проекте многоразовой ракеты от Blue Origin, первый запуск которой запланирован на вторую половину 2024 года. Если разработка удастся, у SpaceX появится первый прямой конкурент, чьи ракеты тяжелого класса также можно использовать повторно.
Как РД-180 оказался в Соединенных Штатах?
Идея устанавливать российские двигатели на американские ракеты появилась в 1990-х годах. Зачастую при выборе российских продуктов западные покупатели руководствовались низкой ценой, поскольку труд российского рабочего дешевле европейского или американского. Однако в случае РД-180 российским инженерам удалось предложить по-настоящему качественный и полезный продукт, аналогов которого на тот момент в США не было.
Топливо мощного ракетного двигателя должно попадать в основную камеру сгорания под большим давлением, для чего нужен турбонасос. Турбонасосу нужна для работы энергия, и первые двигатели космических ракет получали ее, работая по открытому циклу: небольшое количество кислорода и керосина сжигали во вспомогательной камере и продукты сгорания раскручивали турбину. Турбина же приводила в действие насос для впрыска топлива в основную камеру сгорания. Чтобы турбина не расплавилась, температуру пламени понижали путем подачи керосина с большим избытком. Выхлоп при этом выбрасывали в атмосферу без создания реактивной тяги и с несгоревшим керосином, что не эффективно.
Напрашивался простой выход - сжигать несгоревший остаток топлива в основной камере, но этого было делать нельзя, поскольку при неполном сгорании керосин образует сажу, ломающую двигатель. Можно было "перевернуть" схему и сжигать керосин в избытке кислорода: тогда температура горения останется столь же низкой и не расплавит турбину, а копоти не будет. Однако в этом случае образуется раскаленная, богатая кислородом смесь под давлением, которая окисляет сами детали двигателя.
Американские инженеры 1970-х годов решили проблему, заменив топливо на водород, который при неполном сжигании не образует копоти. Так появились RS-25 - основные двигатели "Шаттла", использующие закрытый цикл и богатую топливом смесь. В СССР же пошли другим путем и разработали особо стойкий сплав, способный выдержать горячую богатую кислородом смесь. Ее использовали, среди прочих, двигатели НК-33 для неудачной лунной ракеты Н-1 и РД-170 для первой ступени "Энергия-Буран".
Впоследствии опытным путем выяснилось, что водород - очень неудобное топливо из-за способности проникать в малейшие щели, низкой плотности и температуры сжижения, близкой к абсолютному нулю. Также сложным и дорогим получился RS-25, поэтому делать его уменьшенные версии для более легких ракет не имело смысла. Напротив, РД-170 легко делился пополам: турбонасосные агрегаты уменьшали в два раза и подключали к ним вместо четырех камер сгорания две (советские конструкторы использовали многокамерную схему, поскольку не смогли добиться стабильного горения в больших камерах). "Половинный" РД-170 получил название РД-180 и сохранял главные преимущества предшественника: большую тягу при малых габаритах и эффективное использование топлива, что позволяет увеличить полезную нагрузку.
В результате в 1996 году проект РД-180 победил в конкурсе на создание двигателя для первых ступеней новых американских ракет Atlas-III и Atlas-V и надолго стал важным элементом американской космонавтики.