Системы зажигания двигателей. Как это реализовано на Starship и на других ракетах. Пятничный Лонгрид #30

Запуск ракетного двигателя – сложный и ответственный процесс, от которого зависит успех миссии. В камере сгорания нужно в точно заданный момент инициировать воспламенение топлива, чтобы двигатель заработал стабильно. Малейшая ошибка при зажигании может привести к так называемому «жёсткому запуску» – когда топливо воспламеняется слишком резко или неравномерно, вызывая опасные скачки давления. В худшем случае неправильное зажигание может разрушить двигатель или ракету еще на старте. Поэтому инженеры разработали разные системы зажигания ракетных двигателей – от простых пиротехнических средств до высокотехнологичных лазеров. В этой статье рассмотрим, как именно воспламеняется топливная смесь в ракетах, какие подходы используются различными компаниями, и почему SpaceX для своего корабля Starship выбрала новую систему зажигания для двигателя Raptor.

Основные методы зажигания ракетных двигателей

Пиротехнические системы зажигания

Один из самых старых и простых способов запустить двигатель – использовать пиротехнический воспламенитель. По сути, это небольшой пороховой заряд (или несколько зарядов), который устанавливается в камере сгорания и поджигается в момент старта. Горящая пиротехническая шашка выпускает факел пламени, который воспламеняет основное топливо в камере. Классический пример – ракеты семейства «Союз» (двигатели РД-107/108). В них перед запуском в каждую из 32 камер сгорания вручную вставляются деревянные Т-образные держатели с прикрепленными пирошашками. При подаче команды «старт» электрический импульс поджигает эти шашки; пламя от них перегорает датчик, после чего система считает, что в камере горение инициировано, и открывает основные клапаны подачи топлива и окислителя. Если хотя бы в одной из камер шашки не воспламенились, автоматика отменит запуск – так было, например, при пуске спутника «Ресурс-П №3» в 2016 году, когда одна из 32 шашек не загорелась, и старт был отложен на сутки для замены воспламенителя.

Пиротехническая схема зажигания выглядит архаично, но обладает важными достоинствами. Она очень дешева и проста: пороховые заряды и деревянные держатели стоят копейки по сравнению со сложными трубопроводами или искровыми системами. Кроме того, такая система обеспечивает проверку: датчик сразу показывает, загорелась ли шашка, и если нет – запуск безопасно прерывается до подачи топлива. Замена неисправного пиропатрона обычно занимает минимум времени, что позволяет быстро переназначить старт (как раз на следующий день в случае с «Ресурс-П»). Неудивительно, что столь консервативное решение продолжает применяться десятки лет. Кроме российских «Союзов» похожий метод используют и другие ракеты. Например, европейская Ariane 5 зажигает свой жидкий двигатель Vulcain с помощью трёх пиротехнических зарядов, вставляемых в камеру сгорания (правда, без деревянных частей). Пиропатроны применялись и для запуска двигателей первой ступени легендарной «Сатурн-5» – там с их помощью воспламенялся газогенератор двигателя F-1.

Однако у пиротехнического зажигания есть и недостатки. Главное ограничение – такая система одноразовая. Если двигателю требуется многократный запуск (например, повторное включение в космосе), пирозаряд уже нельзя использовать повторно, нужен новый. В многоразовых ракетах или верхних ступенях, где двигатель включается несколько раз, пирозапалы не подходят. Кроме того, установка пирошашек требует ручной работы перед стартом и тщательного контроля – неправильная установка или повреждение проводов могут сорвать пуск. Таким образом, пиротехнические системы остаются актуальны для одноразовых пусков (особенно когда двигатель стартует только на земле). Но по мере развития ракетной техники инженеры искали более универсальные решения, пригодные для повторных запусков и автоматического управления.

Химическое зажигание пирофорными жидкостями

Другой подход к воспламенению топлива – использование специальных химических реагентов, которые самовоспламеняются при контакте с окислителем. В ракетной технике широко известна смесь триэтилалюминия и триэтилборана (TEA-TEB). Эта пирофорная жидкость мгновенно загорается при соприкосновении с воздухом или особенно с жидким кислородом, выдавая яркую вспышку зеленоватого пламени. Если впрыснуть небольшое количество TEA-TEB в камеру сгорания и одновременно начать подачу основного окислителя, смесь гарантированно вспыхнет и подожжет основное топливо. Такая система зажигания применялась на самых мощных ракетах. Например, первые ступени американского «Сатурна-5» (двигатели F-1 на керосине и жидком кислороде) запускались с помощью зажигающих картриджей с пирофорной жидкостью – именно они обеспечивали воспламенение гигантских двигателей. Аналогично, сегодня жидкие ступени ракет Falcon 9 компании SpaceX зажигаются химическим способом: в двигатель Merlin впрыскивается небольшая доза TEA-TEB, которая воспламеняется в контакте с кислородом и разжигает основную смесь топлива (RP-1 керосин) и окислителя. Отличительный признак – зелёная вспышка пламени, хорошо видимая при старте Falcon 9 или при повторном включении его двигателей.

Преимущество пирофорных систем зажигания – надежность и простота с точки зрения последовательности запуска. Химическое воспламенение происходит очень быстро и не требует тяжелых электросистем или движущихся частей: достаточно иметь небольшой резервуар с зажигающей смесью и клапан для ее подачи. Пирофорный реагент способен гореть даже в условиях криогенных температур – например, TEA-TEB гарантированно вспыхивает при контакте с жидким кислородом, даже если он охлажден ниже точки замерзания. Поэтому химическое зажигание подходит для суровых условий, когда электрическая искра могла бы не сработать надежно. Недаром эту технологию применяют в двигателях, рассчитанных на много одновременных пусков – например, российский кислород-керосиновый двигатель РД-180 (используется на ракете Atlas V) тоже использует порции самовоспламеняющейся жидкости для запуска.

Однако у метода есть и недостатки. Во-первых, пирофорное вещество расходуется при каждом запуске. Если двигатель требуется зажечь несколько раз, нужно нести запас реагента и систему его хранения. На ракете Falcon 9, например, только те двигатели, которым предстоит перезапуск в полёте (верхняя ступень или три двигателя для посадки первой ступени), оснащаются специальными канистрами с TEA-TEB – и количество возможных включений ограничено запасом смеси. Во-вторых, такие реагенты крайне агрессивны и требуют аккуратного обращения: на воздухе они воспламеняются мгновенно, поэтому хранить их нужно в герметичных баллонах с инертным газом. Пирофорные жидкости токсичны и при обращении представляют опасность для персонала. Если пуск ракеты прерван после активации зажигающих картриджей, их приходится заменять на новые – была ситуация, когда запуск Falcon 9 переносили на несколько дней именно из-за необходимости заменить израсходованные капсулы TEA-TEB после отмены старта. Наконец, при длительных межпланетных миссиях возить с собой ограниченный запас зажигающей жидкости рискованно. Именно поэтому в проекте Starship решили уйти от использования TEA-TEB в пользу другой схемы: Elon Musk отмечал, что на Марсе воспроизвести и пополнить запасы такого сложного химиката было бы затруднительно, тогда как альтернативные системы зажигания не требуют специальных реагентов.

Гипергольное топливо (самовоспламеняющиеся компоненты)

Отдельно стоит упомянуть зажигание с помощью гипергольных компонентов топлива. Гипергольное топливо – это такое горючее и окислитель, которые воспламеняются при прямом контакте друг с другом, без какого-либо внешнего инициатора. Классический пример – сочетание несимметричного диметилгидразина (НДМГ, он же гептил) и тетраоксида диазота (АТ). При попадании окислителя (АТ) в горючее (гептил) начинается мгновенная химическая реакция с выделением тепла – смесь буквально взрывается самопроизвольно. Если ракета использует такую пару компонентов, ей вообще не нужна отдельная система зажигания: достаточно открыть клапаны, и в камере сразу начнётся горение.

Этим объясняется популярность гипергольных топлив в ряде ракет старого поколения. Например, советские межконтинентальные баллистические ракеты (и созданные на их основе космические носители, такие как «Протон») работают на паре «гептил + тетраоксид диазота». Такая связка позволяет запускать двигатель в одно мгновение и повторять запуск многократно, пока есть запас топлива. Гипергольные двигатели широко применяются и на космических аппаратах: двигатели маневрирования (ориентации и коррекции орбиты) почти всех спутников, станций и кораблей «Союз» работают на самовоспламеняющемся паре компонентов (обычно монометилгидразин и тетраоксид диазота). В космосе отсутствие системы зажигания – огромное преимущество, ведь упрощается конструкция и повышается надежность: любой из десятков маленьких двигателей ориентации гарантированно воспламенится при подаче топлива, что особенно важно для многократных коротких импульсов.

Главный минус гипергольных топлив – их токсичность и опасность. Эти вещества чрезвычайно ядовиты для людей и вредны для окружающей среды. Обслуживание ракеты на гиперголе требует специальных мер предосторожности (герметичные скафандры для персонала и т.д.). Кроме того, такие топлива обычно имеют ниже удельный импульс (эффективность), чем, скажем, жидкий водород или метан, поэтому постепенно ракетостроители стремятся уйти от них. Сегодня гипергольные связки остаются в основном в сфере космических аппаратов и старых ракет: Китай и Индия до сих пор используют их в некоторых носителях, Россия – в разгонных блоках типа ДМ, США – в двигателях космических кораблей (например, система аварийного спасения и двигатели ориентации на «Орионе»). Но для мощных маршевых двигателей новых ракет обычно выбирают либо керосин, либо метан с жидким кислородом – а они сами по себе не воспламеняются, им нужен инициатор. Поэтому для современных «негипергольных» ракетных двигателей критично иметь надежную систему зажигания, и все больше внимания уделяется электрическим способам воспламенения.

Электрические искровые и факельные запальники

Следующая большая категория методов зажигания – различные электрические запальные устройства, которые обеспечивают воспламенение с помощью искры или раскаленного элемента. Проще всего представить себе обычную автомобильную свечу зажигания: высоковольтный разряд проскакивает между электродами, воспламеняя топливно-воздушную смесь. В ракетном двигателе принцип аналогичен, но масштаб и условия намного сложнее. Прямо зажечь огромный поток холодных компонентов одной искрой крайне трудно – потребуется очень мощный разряд и точный подбор момента. Если воспламенится лишь малая часть топлива, а остальное скопится и вспыхнет с запозданием, это приведет к тому самому «жесткому запуску». Поэтому вместо одной искры в большой камере обычно используют специальные многокомпонентные системы: форкамерные (факельные) запальники.

Форкамерный запальник представляет собой небольшую отдельную камеру сгорания (просто говоря – миниатюрный подсвечник внутри двигателя). В эту предкамеру подаются небольшие порции топлива и окислителя, где они воспламеняются электрической искрой или раскаленным элементом. Горение в запальнике поддерживается как факел – непрерывно или в течение всего запуска. Пламя из этой маленькой камеры выходит через отверстия (обычно по центру форсуночной головки) в основную камеру сгорания и поджигает основной поток топлива уже большим, горячим факелом. Таким образом удается разжечь сразу весь объем топлива в камере равномерно и избежать опасных зон невоспламенившейся смеси.

Электрические форкамерные системы широко применяются на современных двигателях, особенно работающих на жидком водороде, который трудно поджечь. Исторический пример – водородный двигатель J-2 второй и третьей ступени ракеты «Сатурн-V». В J-2 был установлен запальник факельного типа: небольшой водородно-кислородный факел, который горел постоянно, подпитываемый искровой свечой. Это обеспечивало надежное повторное включение J-2 в космосе (третья ступень «Сатурна» должна была запускаться дважды для вывода корабля к Луне). Похожий принцип использован и в знаменитых двигателях Space Shuttle (RS-25). Каждый двигатель RS-25 имел несколько запальных устройств: по одному в каждом из двух газогенераторов (предварительных камерах) и еще один – в основной камере. Эти запальные устройства представляли собой так называемые Augmented Spark Igniter – по сути, маленькие форкамеры с собственными линиями подачи водорода и кислорода, которые воспламенялись электрической дугой. Запальники RS-25 срабатывали за несколько секунд до основного запуска и создавали устойчивое пламя, способное поджечь основной поток. Такая схема позволила сделать двигатель многоразовым – каждый RS-25 на шаттле запускался десятки раз, и его свечи зажигания просто заменялись или проверялись между полетами.

Сегодня электрическое (искровое) зажигание применяют многие компании. Американский двигатель RL10 (разгонный блок Centaur, используется с 1960-х годов по нынешний день) – один из первых примеров надежного многократного запуска с помощью электрозапальника. В современных ракетах на метане или керосине с жидким кислородом также уходят от пиропатронов к электрическим системам. Например, новая тяжелая ракета Vulcan использует метановый двигатель BE-4 от Blue Origin – он не гипергольный, поэтому для его запуска применяются электрозапалы (детали не раскрывались, но вероятно это искровой или факельный запальник, аналогичный по принципу Raptor, о котором поговорим ниже). Малые компании тоже идут этим путем: двигатель Rutherford (ракета Electron, Rocket Lab) зажигается электрически, поскольку сама ракета питается от батарей, там логично использовать искровую систему. Преимущество электрических запальников – возможность многократного использования и высокая точность контроля. Искру можно генерировать снова и снова, пока двигатель не поймает стабильное горение, и нет расходных капсул, ограничивающих число запусков. Кроме того, отпадает ручная работа – система встроена в двигатель и срабатывает по команде автоматики.

Конечно, электрическое зажигание тоже имеет сложности. Требуются источники энергии и сложные компоненты (свечи, провода, генераторы высоковольтного разряда), которые должны работать при экстремальных температурах и давлениях. Запальные свечи нужно защищать от агрессивного пламени в камере, иногда они могут разрушаться или давать сбой. В двигателях Space Shuttle, к примеру, использовались десятки одноразовых искровых элементов, которые приходилось менять. Тем не менее, удобство такого способа сделало его фактически стандартом для всех новых проектов, где топливо не гипергольное. Даже твёрдотопливные ускорители – и те зажигаются электро-пиротехническими устройствами (вспомните шашки воспламенения на боковых ускорителях шаттла: они поджигались электрическим импульсом).

Экспериментальные методы: лазерное зажигание

Современные исследования идут дальше – изучаются лазерные системы зажигания ракетных двигателей. Идея в том, чтобы направленным лазерным лучом вызвать плазменный пробой прямо в камере сгорания, моментально разогревая и поджигая смесь. Лазерное зажигание привлекательно отсутствием расходников (лазер можно импульсно включать многократно) и потенциально более высокой скоростью и равномерностью воспламенения. Если лазерный модуль удастся сделать достаточно компактным и надежным, он мог бы заменить химические или искровые системы. Пока что ни на одном серийном двигателе лазер не используется, но эксперименты весьма успешны. В России, например, в Центре им. Келдыша были разработаны лазерные модули, которые испытывались на двигателях РД-107/108 (тех самых, что на «Союзе») – лазер смог надежно воспламенять керосин с кислородом в камере. Исследования показывают, что лазерное зажигание может пригодиться, когда требуется очень много запусков двигателя, а традиционные системы становятся сложными или дорогими. Возможно, в будущем появятся ракетные двигатели, где роль спички будет выполнять именно лазерный луч.

Система зажигания двигателя Raptor

Особое внимание стоит уделить двигателю Raptor, разработанному SpaceX для корабля Starship и ускорителя Super Heavy. Этот двигатель использует метан и жидкий кислород – комбинацию, которая не является гипергольной, а значит требует внешнего инициирования. При создании Raptor инженеры SpaceX решили отказаться от привычного для них химического зажигания (как в Merlin на Falcon 9) и внедрили новую схему – torch ignition, то есть факельное зажигание с помощью искровых свечей. Каждый Raptor оснащен двумя независимыми форкамерными запальниками (они же называются torch igniters – «факел-запальник»). По описанию Илона Маска, это фактически два небольших «огнемёта», работающих на той же смеси метана и кислорода. В момент запуска специальные свечи зажигания создают искру, поджигая обогащённую смесь в этих мини-камерах. Получаются два мощных пламени (факела), которые направлены в стороны предварительных камер сгорания Raptor. Дело в том, что Raptor – двигатель полного потока (FFSC), у него есть два предвключения: кислородный и топливный газогенераторы. Факелы от запальников воспламеняют процессы горения в обоих этих предкамерах (метановом и кислородном). Далее раскаленные продукты сгорания из предкамер устремляются в основную камеру Raptor, где смешиваются. И вот тут – интересный момент – в основной камере Raptor нет привычного запального устройства. Судя по сведениям от SpaceX, основных свечей в камере нет вовсе, а воспламенение основного потока происходит автоматически при смешении двух потоков раскаленных газов из предкамер. Проще говоря, горячий метан и горячий кислород, выходящие из газогенераторов, встречаясь в камере, воспламеняются самопроизвольно (как факел встречного горения). Благодаря высокой температуре и давлению (в Raptor давления рекордные – до 300 бар и выше) удается добиться гомогенного воспламенения без отдельной искры в основном объеме.

Такое инженерное решение стало возможным именно из-за схемы полного газификации топлива (FFSC) – оба компонента поступают в камеру уже в газообразном и разогретом виде. В старых схемах двигатель получал жидкий керосин или метан прямо в камеру, и их надо было поджигать извне. Raptor же превращает и метан, и кислород в горячий газ в предкамерах, а затем они смешиваются и горят сразу. Конечно, на практике это реализовать крайне сложно. Специалисты SpaceX признавали, что на этапе разработки igniters (запальные устройства) Raptor были «капризными». Сам Илон Маск называл систему факельного зажигания Raptors «финicky» – требовательной к настройке. В 2019 году тестовый полёт Starhopper задерживался из-за проблемы с одним из торч-игнайтеров: автоматическая система остановила запуск за мгновения до включения двигателя, выявив сбой в работе запала. Пришлось снимать и инспектировать igniter, после чего испытание удалось провести успешно. Для SpaceX это была новая территория – до того все их двигатели зажигались TEA-TEB, относительно «грубой силой». Torch igniter Raptor намного сложнее по конструкции: предполагается, что вокруг камеры возможно размещены несколько (возможно, кольцо) выходов факельных пламен, чтобы обеспечить однородное зажигание по окружности камеры. Это добавляет деталей и потенциальных точек отказа.

Зачем же было идти на такие сложности? Дело в том, что Starship и Super Heavy планируются как полностью многоразовая система с возможностью десятков запусков, а в перспективе – с полётами на Марс. Химическое зажигание с TEA-TEB не подходит: во-первых, количество перезапусков двигателя ограничено запасом пирофорной смеси. Во время миссии Starship может потребоваться многократное включение двигателей – например, взлет со Старта, манёвр выхода на орбиту, коррекции траектории, посадка, снова взлёт с Марса и посадка на Земле. Возить с собой многоразовые капсулы с TEA-TEB неудобно и опасно, а пополнить их запас вне Земли проблематично. Во-вторых, с точки зрения многоразовости, электрические искровые запалы можно проверить, починить или заменить гораздо проще, чем систему с химикатами. В случае необходимости астронавты даже на Марсе смогли бы вручную заменить свечу зажигания в двигателе, но они точно не смогут синтезировать триэтилборан в полевых условиях. Таким образом, факельное зажигание Raptor – это инвестиция в долгосрочную надёжность и автономность системы Starship. Оно устраняет зависимость от расходных материалов и обеспечивает практически неограниченное число повторных стартов (пока работают сами механизмы двигателя).

Важно отметить, что SpaceX – не единственная компания, выбравшая электрическое зажигание для метановых двигателей. Например, конкурент Raptor – двигатель BE-4 (метан/кислород) от Blue Origin – по имеющимся данным тоже использует искровое зажигание (вероятно, в виде предкамерных запалов). Просто SpaceX оказалась первой, кто реализовал эту схему на таком большом и мощном двигателе. В итоге Raptor сегодня можно считать одним из самых технически продвинутых примеров системы зажигания. В нём сочетаются сразу несколько подходов: электрические искровые свечи, мини-ракетные факелы-запальники и использование разогретых компонентов (что даже напоминает гипергольность, хотя и достигается другим путём). Благодаря этому Starship не зависит от пиропатронов или химических капсул и теоретически готов к частым и длительным миссиям.

Заключение

Системы зажигания – невидимые герои ракетной техники. Без них невозможен запуск ни одного жидкостного двигателя, и от их работы зависит, превратится ли молчаливый цилиндр двигателя в ревущее пламя, или же ракета так и останется стоять на старте. Мы рассмотрели разные подходы, которые применялись и применяются в ракетостроении. Исторические решения – такие как пиротехнические шашки в двигателях – доказали свою надёжность и простоту и до сих пор используются там, где требуются одновременные пуски множества камер (как на «Союзе»). Химические пирофорные смеси дали возможность запускать мощные ступени в любых условиях, хотя и ввели дополнительные ограничения по ресурсам и безопасности. Гипергольные топлива вообще устранили проблему зажигания для целого класса ракет и космических аппаратов, хотя вынудили мир мириться с токсичностью. Со временем требования к ракетам изменились – появилась необходимость многократных запусков, мгновенного повторного включения двигателей в космосе, повышения экологической безопасности. Инженеры ответили развитием электрических и форкамерных систем зажигания, которые сейчас являются стандартом для водородных и метановых двигателей. И, глядя вперед, на горизонте видны новые идеи вроде лазерного зажигания, обещающие еще большую надёжность.

Компания SpaceX в контексте Starship показала, насколько важна правильная стратегия зажигания. Отказ от удобной на первый взгляд пирофорной жидкости в пользу более сложных факельных запалов – смелое решение, продиктованное дальним прицелом на многоразовость и межпланетные полёты. Теперь Raptor может запускаться хоть десятки раз без замены расходных материалов, а сама система Starship теоретически сможет выполнять миссии на Марс и обратно, не беспокоясь о воспламенении двигателей. Другие компании тоже учатся на этом опыте: новые ракеты с негипергольным топливом разрабатываются сразу с учётом электрического или другого возобновляемого зажигания.

В итоге можно сказать, что системы зажигания прошли большой путь – от простых пороховых «спичек» до высокотехнологичных «искорок» и «факелов». Каждая из них решает свою задачу: где-то важна максимальная простота и дешевизна, где-то – возможность многократного запуска и автономность. Но цель у всех одна – безопасно и вовремя зажечь звезду в сердце ракеты. Ведь без этой искры никакой полёт к звёздам не состоится.