Почему NASA отказалось от ракетного двигателя F-1?

Краткий ответ: К моменту завершения лунной программы NASA приняло решение о разработке многоразовой космической системы, где использовались более совершенные многоразовые кислород-водородные двигатели и более мощные твердотопливные ускорители. F-1 отменили за ненадобностью, так как имели более эффективные двигатели.

Самый мощный жидкостный однокамерный кислород-керосиновый ракетный двигатель за всю историю космонавтики до сих пор поражает воображение. Тяга 690 т у поверхности Земли, диаметр сопла 3,76 м, масса 8,35 т. Пять таких двигателей тринадцать раз успешно поднимали ракеты Saturn V массой почти 3000 т. И NASA спокойно отказалось от его производства в начале 1970-х годах, даже не попытавшись использовать в дальнейших программах. Это не может не вызывать удивления. В интернете ходят легенды об исчезнувших или сознательно уничтоженных чертежах ракеты Saturn V и ее двигателей, хотя они далеки от реальности.

Группа инженеров Космического центра Джорджа Маршалла в 2013 году у музейного образца ракетного двигателя F-1. Эта команда ведет работы по сохранению прежнего наследия F-1, его модернизации и использованию в будущем. NASA

Ракета Saturn V относится к классу сверхтяжелых ракет. В такую категорию попадают ракеты, чья грузоподъемность в два и более раз превышает грузоподъемность тяжелых. Современные тяжелые ракеты способны поднять на низкую околоземную орбиту (НОО) 25–30 т, соответственно, сверхтяжелой можно считать ракету, поднимающую более 50 т на низкую орбиту.

За всю историю космонавтики сверхтяжелых ракет создавалось не так много: американские Saturn V, Space Shuttle, Falcon Heavy; советские Н-1 и «Энергия». Обычно американские шаттлы не относятся к сверхтяжелым ракетным системам так как они могли вывести на низкую орбиту до 25 т полезной нагрузки, но на орбите оказывался и сам 70-тонный ракетоплан, поэтому система Space Shuttle может считаться сверхтяжелой ракетой.

Сегодня у космических держав в разработке находится еще как минимум три ракеты: SLS (США), РН СТК (Россия) и Long March 9 (Китай).

Рассмотрим прошлые, настоящие и будущие ракеты сверхтяжелого класса.

Сверхтяжелые ракеты мира

Как видно из таблицы, история сверхтяжелых ракет началась с пилотируемой лунной программы. Следующее после лунной гонки направление развития сверхтяжелых носителей — ракетопланы, но впоследствии они не выдержали конкуренции со средними и тяжелыми ракетами. Оказалось, что для научной, коммерческой и даже военной деятельности на околоземных орбитах людям требуются ракеты грузоподъемностью не более 30 т. Пока нет задачи полета на Луну или дальше, нет и смысла в создании сверхтяжелых ракет. Единственное недавнее исключение — ракета Falcon Heavy, но ее предполагают эксплуатировать в режиме многократного использования первой ступени и боковых ускорителей. В многоразовом режиме Falcon Heavy — уже тяжелая ракета без приставки «сверх-». Большинство будущих проектируемых сверхтяжелых ракет ориентировано на возобновление полетов людей на Луну.

В 1970-е годы, после успеха лунной программы, американская космонавтика находилась в состоянии выбора дальнейшего магистрального пути развития. NASA ожидало, что освоение Луны будет только расширяться, но руководство государства уже достигло политической цели — продемонстрировало миру превосходство над СССР в космосе. Советский Союз также отказался от Луны, даже научные исследования автоматическими станциями были свернуты после 1976 года. Государственное руководство США не видело никакой целесообразности в продолжении полетов Saturn V. Взамен NASA предложило проект многоразовой ракетно-космической системы Space Shuttle, которая была достаточно амбициозной, могла выполнять как гражданские, так и военные задачи в космосе.

Многоразовость Space Shuttle обещала снижение стоимости космических полетов. В сравнении с одноразовым Saturn V, чей запуск оценивался в $1 млрд, шаттл казался удобным и выгодным средством. В его разработке применили весь опыт, полученный в лунной программе, но добавили множество нововведений. Одно из них и «похоронило» двигатель F-1.

Твердотопливный ускоритель (Solid rocket booster, SRB), пара которых применялась на шаттлах, оказался мощнее, чем F-1: его тяга 1350 т. SRB был возвращаемым — после исчерпания запаса твердого топлива он приводнялся на парашютах в океан, и выловленные корпуса отправлялись на завод-изготовитель. Хотя позже от практики многоразового использования твердотопливных ускорителей отказались, но на этапе создания многоразовой системы у одноразового, менее мощного и более сложного по конструкции F-1 не было шансов.

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.