موتور راکتی RD-180 یک پیشرانه مایع در تاریخ فناوری فضایی است. موتور RD-180 با سوخت نفت سفید پالایششده (RP-1) و اکسیژن مایع کار میکند و از چرخه احتراق مرحلهای غنی از اکسیدکننده بهره میبرد. طراحی آن بر پایه موتور چهارمحفظهای RD-170 ساخته شده که برای پرتابگر انرژیای شوروی سابق توسعه یافته بود. RD-180 با دو محفظه احتراق و دو نازل، توانی معادل حدود ۳۸۳۰ کیلونیوتن در سطح دریا و ۴۱۵۰ کیلونیوتن در خلأ تولید میکند. تکانه ویژه آن در سطح دریا ۳۱۱ ثانیه و در خلأ حدود ۳۳۸ ثانیه است.
ریشههای RD-180 به دهه ۱۹۷۰ میلادی و برنامه فضایی شوروی بازمیگردد. موتور RD-170 برای تقویتکنندههای جانبی پرتابگر سنگین انرژیای طراحی شد که هدف آن پرتاب شاتل بوران بود. این موتور چهارمحفظهای با توان بیش از ۷۹۰۰ کیلونیوتن، یکی از قدرتمندترین پیشرانههای تاریخ بود. پس از فروپاشی شوروی در سال ۱۹۹۱، شرکت انپو انرژیاماش (NPO Energomash) در خیمکی روسیه، نیاز به بازارهای جدید داشت. در دهه ۱۹۹۰، این شرکت موتور RD-180 را به عنوان نسخه دو محفظهای RD-170 توسعه داد. این تغییر برای سازگاری با پرتابگرهای غربی انجام شد و حدود ۷۰ درصد قطعات مشترک با RD-170 داشت.
در سال ۱۹۹۶، شرکت لاکهید مارتین ایالات متحده، RD-180 را برای پرتابگر اطلس III انتخاب کرد. انتخاب پس از مقایسه با گزینههای داخلی مانند ارتقای موتورهای راکتداین انجام شد. دلایل اصلی، کارایی بالاتر (۱۰ درصد بیشتر از موتورهای آمریکایی آن زمان)، هزینه کمتر توسعه و سابقه پروازی RD-170 بود. توسعه RD-180 در ۴۲ ماه تکمیل شد که نسبت به پروژههای مشابه آمریکایی بسیار سریعتر و ارزانتر بود. نخستین پرواز آن در سال ۲۰۰۰ با اطلس III رخ داد و سپس به مرحله اول اطلس V منتقل شد. تولید موتور منحصراً در روسیه توسط انرژیاماش انجام میشود، هرچند قراردادی برای تولید مشترک با پرات اند ویتنی وجود داشت که اجرا نشد. تا سال ۲۰۲۱، بیش از ۱۲۰ موتور به ایالات متحده تحویل داده شد.
مشخصات فنی موتور راکتی RD-180
موتور راکتی RD-180 موتور مایعی با سوخت آرپی-۱ و اکسیژن مایع است. نسبت اکسیدکننده به سوخت حدود ۲.۷۲ است که کمی غنی از سوخت محسوب میشود، اما پیشسوزنده آن غنی از اکسیدکننده کار میکند.
- نیروی پیشران در سطح دریا: حدود ۳.۸۳ میلیون نیوتن (۸۶۰ هزار پوند نیرو)
- نیروی پیشران در خلأ: حدود ۴.۱۵ میلیون نیوتن (۹۳۳ هزار پوند نیرو)
- impuls ویژه در سطح دریا: ۳۱۱ ثانیه
- impuls ویژه در خلأ: ۳۳۸ ثانیه
- جرم خشک موتور: حدود ۵۴۸۰ کیلوگرم
- ارتفاع: ۳.۵۶ متر
- قطر: ۳.۱۵ متر
- فشار محفظه احتراق: حدود ۲۵۷ بار
- نسبت سطح نازل: ۳۶.۸۷
- قابلیت تنظیم نیروی پیشران: از ۴۷ تا ۱۰۰ درصد
این موتور از چرخه احتراق مرحلهای غنی از اکسیدکننده بهره میبرد. در این چرخه، پیشسوزنده با مخلوط غنی از اکسیژن کار میکند و گاز داغ تولیدشده توربین را میچرخاند، سپس به محفظه اصلی تزریق میشود. این طراحی کارایی بالاتری نسبت به چرخههای سوختغنی آمریکایی فراهم میکند و حدود ۱۰ درصد عملکرد بهتر دارد. توربوپمپ تکگانه دو محفظه را تغذیه میکند که پیچیدگی را کاهش میدهد. نازلها قابلیت چرخش مستقل دارند و کنترل دقیق جهت را ممکن میسازند.
عملکرد و قابلیت اطمینان
موتور راکتی RD-180 بیش از ۲۶۰ آزمایش زمینی با مجموع بیش از ۵۰ هزار ثانیه کارکرد داشته است. در پرتابهای واقعی، بیش از ۱۰۰ پرواز موفق بدون شکست موتور ثبت شده است. impuls ویژه بالا و نیروی پیشران زیاد آن اجازه میدهد پرتابگر اطلس ۵ بارهای سنگین را به مدار ژئوسنکرون ببرد. قابلیت تنظیم نیروی پیشران برای تطبیق با مسیرهای مختلف مفید است. در مقایسه با موتورهای آمریکایی قدیمی، RD-180 کارایی بالاتر، جرم کمتر و قابلیت استفاده مجدد جزئی دارد (تا ۱۰ پرواز ممکن است، هرچند در اطلس مصرفی است).
ویژگیهای فنی موتور RD-180
RD-180 از چرخه احتراق مرحلهای غنی از اکسیدکننده استفاده میکند. در این چرخه، پیشسوزان با نسبت اکسیدکننده به سوخت بالا (غنی از اکسیژن) کار میکند و گازهای خروجی آن به محفظه اصلی تزریق میشود. نسبت کلی اکسیدکننده به سوخت ۲.۷۲ است. فشار محفظه احتراق حدود ۲۵۷ بار است که بسیار بالاست و به کارایی بالا منجر میشود.
موتور دارای یک توربوپمپ اصلی است که هر دو محفظه را تغذیه میکند. نازلها به طور مستقل تا ۸ درجه چرخش دارند که کنترل دقیق جهت را فراهم میکند. توان تنظیم رانش از ۴۷ تا ۱۰۰ درصد است که برای تطبیق با مسیرهای مختلف مفید است. جرم خشک موتور حدود ۵۴۸۰ کیلوگرم و نسبت رانش به جرم حدود ۷۸ است. ابعاد موتور با ارتفاع ۳.۵۶ متر، قطر ۳.۱۵ متر. نسبت گسترش نازل ۳۶.۴ است که برای کار در جو و خلأ بهینه شده است.
طراحی از رسوب کربن در پیشسوزان جلوگیری میکند، زیرا غنی بودن از اکسیژن مانع تشکیل دوده میشود. مواد ویژه مانند آلیاژهای مقاوم به اکسیژن داغ در توربین استفاده شده که چالش اصلی این چرخه است.
مسائل ژئوپلیتیکی و تحریمها
پس از الحاق کریمه در ۲۰۱۴، روسیه تهدید به قطع فروش موتور راکتی RD-180 برای پرتابهای نظامی کرد. ایالات متحده تحریم اعمال کرد و کنگره استفاده از آن را محدود نمود. در ۲۰۲۲، پس از حمله به اوکراین، روسیه فروش و پشتیبانی را قطع کرد. اما یوالای پیشتر موتورهای کافی ذخیره کرده بود (حدود ۲۹ موتور برای پرتابهای باقیمانده). مسائل منجر به توسعه موتورهای آمریکایی مانند بیای-۴ (بلو اوریجین) برای پرتابگر ولکان شد. اطلس ۵ تا اواخر دهه ۲۰۲۰ بازنشسته میشود.
کاربرد در پرتابگرهای اطلس
موتور راکتی RD-180 تنها در پرتابگرهای اطلس III (۶ پرواز موفق از ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۵) و اطلس V استفاده شد. اطلس V از سال ۲۰۰۲ بیش از ۹۹ پرواز موفق داشته و تنها یک نقص جزئی در سال ۲۰۱۶ رخ داد که ماموریت را تحت تاثیر قرار نداد. این موتور مرحله اول مشترک (CCB) را نیرو میدهد و با تقویتکنندههای جامد ترکیب میشود تا بارهای سنگین به مدار زمین پایین، مدار انتقال زمینثابت یا ماموریتهای بینسیارهای ببرد.
انتخاب RD-180 در دهه ۱۹۹۰ به دلیل همکاری پس از جنگ سرد بود، اما پس از رویدادهای ژئوپلیتیکی مانند الحاق کریمه در ۲۰۱۴ و تهاجم ۲۰۲۲، محدودیتهایی اعمال شد. ایالات متحده موتورهای کافی برای پروازهای باقیمانده اطلس V (تا اواسط دهه ۲۰۲۰) ذخیره کرده و پرتابگر ولکان سنتاور با موتور BE-4 را جایگزین کرده است.
مقایسه موتور راکتی RD-180 با دیگر موتورها
موتور RD-180 در زمان معرفی، برتر از موتورهای آمریکایی مانند RS-68 (هیدروژن مایع، تکانه ویژه بالاتر اما رانش کمتر و پیچیدگی بیشتر) بود. نسبت به مرلین ۱D اسپیسایکس، RD-180 رانش بیشتری در یک واحد دارد، اما مرلین نسبت رانش به جرم بالاتری (حدود ۱۸۰) دارد و قابل استفاده مجدد است.
جایگزینهای پیشنهادی مانند AR1 (آئروجت راکتداین) یا BE-4 (بلو اوریجین) توسعه یافتند. BE-4 با سوخت متان، رانش هر کدام ۲۴۵۰ کیلونیوتن و تکانه ویژه مشابه دارد و در راکت ولکان استفاده میشود. رپتور اسپیسایکس با چرخه احتراق مرحلهای کامل، کارایی بالاتری دارد اما برای کاربردهای متفاوت طراحی شده.
