Двигательная установка «Марсианского экспресса»
Открытая архитектура ЖРД открытого цикла — унификация, живучесть, многоразовость
📌 Общая концепция
В проекте «Марсианский экспресс» сознательно выбраны ЖРД открытого цикла (газогенераторный цикл). Давление в камере сгорания — не более 60–100 атм, соответствуя уровню Merlin 1D. Это даёт простоту, низкую стоимость, высокую надёжность и ресурс, измеряемый часами (авиационный подход). Все двигатели унифицированы по насосной части и охлаждению, различаются сопловыми насадками, третьим компонентом и номинальной тягой.
Ключевые принципы: избыточность (много двигателей на ступени), отказоустойчивость, возможность 50–100 полётов без капитального ремонта.
🚀 Двигатели по ступеням
«Бочка» (1-я ступень)
- Количество: 91 шт.
- Тяга (в атмосфере): 96 тс каждый
- Топливо: метан + кислород
- 3-й компонент: вода (дистиллированная), завеса критического сечения
- Особенность: сброс мятого газа над юбкой — дополнительная аэродинамическая тяга (~0,5–1 тс на двигатель в момент отрыва)
2-я ступень (разгонная)
- Количество: 10 шт.
- Тяга (вакуум): 98,1 тс
- Топливо: метан + кислород
- 3-й компонент: жидкий азот (побочный продукт производства O₂ на Земле)
- Особенность: выдвижной «по холодному» вакуумный насадок сопла
МРБ (разгонный блок к Марсу)
- Количество: 5 шт.
- Тяга (вакуум): 98,1 тс
- Топливо: метан + кислород + азот
- Управление: карданный подвес (несколько двигателей), остальные неподвижны. После отстыковки от ММК — возврат на Землю с задвинутыми насадками
ММК (марсианский корабль)
- Количество: 7 шт.
- Тяга (вакуум): 50 тс
- Топливо: CO + O₂ (производится на Марсе)
- 3-й компонент: жидкий аргон (рабочее тело плазменных двигателей, компонент атмосферы кабины, наддув баков). Высочайшая унификация
- Особенность: выдвижные вакуумные насадки; двигатели убираются в ниши днища
💧 Третий компонент — защитная завеса
Для охлаждения критического сечения и защиты турбонасосных агрегатов, а также изоляции топлива от окислителя по валу используется впрыск инертной жидкости/газа. Насос третьего компонента расположен между насосами топлива и окислителя на одной оси, что гарантирует безопасность даже при разрыве уплотнений. Выбор компонента оптимизирован под этап полёта:
| Ступень / элемент | Третий компонент | Обоснование |
|---|---|---|
| «Бочка» (1-я ступень) | Вода | Дешева, высокая теплоёмкость, не криогенна, удобна на старте. Перед стартом подогревается, за время до посадки не замерзает. |
| 2-я ступень и МРБ | Жидкий азот | Побочный продукт при производстве жидкого кислорода. Температура совместима с метаном и кислородом, не замерзает от контакта с жидким кислородом и метаном. |
| ММК (марсианский корабль) | Жидкий аргон | Добывается на Марсе (из атмосферы), рабочее тело для плазменной коррекции, компонент атмосферы кабины, наддув баков, теплоизоляция. Самая низкая теплопроводность. |
Аргон на ММК выполняет 5 функций
- Завеса двигателя
- Рабочее тело плазменных двигателей
- Атмосфера жилого отсека (70% Ar + 30% O₂)
- Наддув криобаков
- Наполнение теплоизоляционных полостей
🔁 Выдвижные сопловые насадки «по холодному»
В отличие от схемы НК‑33-1 (выдвижение на работающем двигателе), все сопловые насадки меняют геометрию исключительно на остановленном двигателе. Это на порядок упрощает механику, уменьшает массу и повышает надёжность:
- На 2‑й ступени и МРБ — выдвигаются перед запуском в вакууме, после останова задвигаются перед входом в атмосферу
- На ММК — выдвигаются для работы на траектории и при старте с Марса, задвигаются при атмосферных этапах (посадка на Землю)
- Привод — электромеханический или пневматический (от баллонов наддува)
Такой подход также позволяет убирать двигатели ММК в ниши днища для аэродинамической защиты при входе в атмосферу Марса и Земли.
⚙️ Сравнение с традиционными решениями
| Параметр | Raptor (SpaceX) | НК‑33 (СССР) | Двигатель проекта (открытый цикл) |
|---|---|---|---|
| Цикл | Закрытый (полный) | Закрытый | Открытый (газогенератор) |
| Давление в КС | ~350 атм | ~150 атм | 60–100 атм |
| Третий компонент | Нет (регенеративное охлаждение CH₄) | Отсутствовал | Вода / N₂ / Ar |
| Управление вектором | Карданный подвес | Разнотяг (Н‑1) или отдельные рулевые | Комбинация: карданы + дросселирование |
| Ресурс (лётный) | Десятки минут | 14000 секунд | Десятки часов |
| Стоимость производства | ~$2 млн | сверхдорогой | ~$0.5–1 млн |
Многоразовость и масштабирование
Благодаря открытому циклу и низкой форсировке, двигатели выдерживают сотни циклов «запуск — работа — останов». Семейство построено на унифицированном газогенераторе, ТНА и камере.
📐 Отказ от закрытого цикла и ядерных реакторов
Закрытый цикл даёт выигрыш ~10% по удельному импульсу, но требует в 10 раз больше времени на доводку, сверхдорогие материалы и практически исключает «ремонт в полевых условиях». Открытый цикл прост и понятен — его могут изготавливать на стандартных машиностроительных заводах.
Ядерные реакторы и РИТЭГи – сознательно исключены из проекта. Это исключает риск загрязнения Марса и Земли. Солнечные батареи дают достаточно энергии (в т.ч. для производства топлива на Марсе), а плазменные двигатели коррекции используют аргон. «Марсианский экспресс» — полностью «зелёная» транспортная система.
🛠️ Реалистичность и технологическая готовность
Двигатели открытого цикла с тягой 50–100 тс — технология 1960‑х годов (Merlin 1D, РД‑107/108). Производство CO и O₂ из атмосферы Марса отработано на марсоходе Perseverance (MOXIE). Выдвижные сопловые насадки «по холодному» не содержат критических технических проблем.
Стоимость разработки оценивается в 500–800 млн долларов. Это на порядок дешевле, чем Starship или SLS.
🔗 Весь проект распространяется с открытой лицензией CERN OHL v2 / CC BY‑SA 4.0. Присоединяйтесь к разработке!