El NK-33 y el NK-43 son motores cohete diseñados y construidos a finales de los años 60 y principios de los 70 por la Oficina de Diseño Kuznetsov . La designación NK se deriva de las iniciales del diseñador jefe Nikolay Kuznetsov . El NK-33 estaba entre los motores cohete LOX / RP-1 más potentes cuando se construyó, con un alto impulso específico y una baja masa estructural. Estaban destinados al malogrado cohete lunar soviético N1F , que era una versión mejorada del N1. El motor cohete NK-33A se utiliza ahora en la primera etapa del vehículo de lanzamiento Soyuz-2-1v . Cuando se agote el suministro de motores NK-33, Rusia suministrará el nuevo motor cohete RD-193 . Solían ser los motores de la primera etapa de la serie de cohetes Antares 100 , aunque esos motores se renombraron como AJ-26 y las series de cohetes más nuevas Antares 200 y Antares 200+ utilizan el RD-181 para los motores de la primera etapa, que es un RD-191 modificado, pero comparte algunas propiedades como una sola cámara de combustión a diferencia de las dos cámaras de combustión utilizadas en el RD-180 del Atlas V y las cuatro cámaras de combustión utilizadas en el RD-170 de las familias de cohetes Energia y Zenit, y los motores de cohetes RD-107 , RD-108 , RD-117 y RD-118 utilizados en todas las variantes del cohete Soyuz.
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Los motores de la serie NK-33 son motores cohete bipropulsados de ciclo de combustión por etapas , ricos en oxígeno y refrigerados de forma regenerativa y a alta presión. Las turbobombas requieren oxígeno líquido (LOX) subenfriado para enfriar los cojinetes. [2] Estados Unidos no había investigado las tecnologías de combustión rica en oxígeno hasta el proyecto Integrated Powerhead Demonstrator a principios de la década de 2000. [3] Sin embargo, los soviéticos perfeccionaron este método.
El problema es que el oxígeno caliente a alta presión debe fluir por todo el motor. Si las superficies en contacto con este oxígeno fueran de metal desnudo, se corroerían demasiado rápido. El problema se solucionó utilizando un revestimiento de esmalte inerte sobre todas las superficies metálicas en contacto con el oxígeno caliente. [4]
El motor NK-33 tiene una de las relaciones empuje-peso más altas de todos los motores de cohetes lanzables desde la Tierra; solo los motores NPO Energomash RD-253 , SpaceX Merlin 1D y SpaceX Raptor logran una relación más alta. El NK-43 es similar al NK-33, pero está diseñado para una etapa superior, no para una primera etapa. Tiene una boquilla más larga, optimizada para operar en altitud, donde hay poca o ninguna presión de aire ambiental. Esto le da un mayor empuje e impulso específico, pero lo hace más largo y pesado. Tiene una relación empuje-peso de aproximadamente 120:1. [5]
Los predecesores del NK-33 y NK-43 son los motores NK-15 y NK-15V respectivamente.
La tecnología rica en oxígeno sigue viva en los motores RD-170/-171 , su RD-180 y los derivados recientemente desarrollados RD-191 , pero estos motores no tienen una conexión directa con el NK-33 excepto por la tecnología de ciclo de combustión por etapas rico en oxígeno, el combustible de queroseno/RP-1 y, en el caso del RD-191 y sus variantes como el RD-193 y el RD-181, la cámara de combustión única en lugar de las múltiples cámaras de los motores de cohetes rusos anteriores.
El lanzador N-1 originalmente utilizaba motores NK-15 para su primera etapa y una modificación para gran altitud (NK-15V) en su segunda etapa. Después de cuatro lanzamientos fallidos consecutivos y ningún éxito, el proyecto fue cancelado. Mientras se modificaban o rediseñaban otros aspectos del vehículo, Kuznetsov mejoró sus contribuciones en el NK-33 y el NK-43 respectivamente. [6] El vehículo de segunda generación se llamaría N-1F. En ese momento, la carrera a la Luna estaba perdida desde hacía mucho tiempo y el programa espacial soviético estaba considerando al Energia como su lanzador pesado. Ningún N-1F llegó nunca a la plataforma de lanzamiento. [7]
Cuando se cerró el programa N-1, se ordenó la destrucción de todo el trabajo realizado en el proyecto. En su lugar, un burócrata se llevó los motores, que valían millones de dólares cada uno, y los almacenó en un almacén. La noticia de los motores finalmente se extendió a los EE. UU. Casi 30 años después de su construcción, los ingenieros de cohetes fueron llevados al almacén. Uno de los motores fue llevado más tarde a los EE. UU., y la especificación precisa del motor se demostró en un banco de pruebas. [7]
La tecnología de ciclo cerrado rica en oxígeno del NK-33 funciona enviando los gases de escape de los motores auxiliares a la cámara de combustión principal. El O2 líquido completamente calentado fluye a través del prequemador y hacia la cámara principal en este diseño. La mezcla extremadamente caliente y rica en oxígeno hizo que el motor fuera peligroso: se sabía que derretía piezas fundidas de 3 pulgadas (76 mm) de espesor "como cera de vela [ cita requerida ] . Los ingenieros estadounidenses habían considerado la combustión por etapas rica en oxidantes, pero no se consideró una dirección factible debido a los recursos que asumieron que el diseño requeriría para que funcionara. [8] Una de las controversias en el Kremlin sobre el suministro del motor a los EE. UU. fue que el diseño del motor era similar al diseño del motor ICBM ruso. El diseño del NK-33 se usó en el posterior motor RD-180 , que tenía el doble del tamaño del NK-33. Los motores RD-180 se usaron (a partir de 2016) para impulsar el cohete Atlas V. Esta empresa también adquirió una licencia para la producción de nuevos motores. [9] [10] [11]
En el "Bosque de los Motores" sobrevivieron unos 60 motores, como describieron los ingenieros en un viaje al almacén. A mediados de los años 1990, Rusia vendió 36 motores a Aerojet General por 1,1 millones de dólares cada uno y los envió a las instalaciones de la empresa en Sacramento, California. [12] Durante la prueba del motor en Sacramento, el motor alcanzó sus especificaciones.
Aerojet ha modificado y renombrado el NK-33 actualizado a AJ26-58 , AJ-26-59 y AJ26-62 , y el NK-43 a AJ26-60 . [9] [10] [11] [13]
Kistler Aerospace, posteriormente llamada Rocketplane Kistler (RpK), diseñó su cohete K-1 en torno a tres NK-33 y un NK-43. El 18 de agosto de 2006, la NASA anunció que RpK había sido elegida para desarrollar los Servicios de Transporte Orbital Comercial para la Estación Espacial Internacional . El plan preveía vuelos de demostración entre 2008 y 2010. RpK habría recibido hasta 207 millones de dólares si hubieran cumplido con todos los hitos de la NASA, [14] [15] [16] pero el 7 de septiembre de 2007, la NASA emitió una carta de incumplimiento, advirtiendo que rescindiría el acuerdo COTS con Rocketplane Kistler en 30 días porque RpK no había cumplido con varios hitos contractuales. [17]
La versión inicial del lanzador de sustentación ligera a media Antares de Orbital Sciences tenía dos NK-33 modificados en la primera etapa, una segunda etapa basada en Castor 30 sólido y una tercera etapa sólida o hipergólica opcional . [18] Los NK-33 fueron importados de Rusia a los Estados Unidos, modificados y redesignados como Aerojet AJ26. Esto implicó quitar algunos mazos de cables eléctricos, agregar electrónica estadounidense, habilitarlo para propulsores estadounidenses y modificar el sistema de dirección. [19]
En 2010, los motores NK-33 almacenados se probaron con éxito para su uso en el lanzador de carga ligera a media Antares de Orbital Sciences . [19] El cohete Antares se lanzó con éxito desde la instalación de vuelo Wallops de la NASA el 21 de abril de 2013. Esto marcó el primer lanzamiento exitoso de los motores NK-33 históricos construidos a principios de la década de 1970. [20]
Aerojet acordó reacondicionar suficientes NK-33 para servir al contrato de Servicios de Reabastecimiento Comercial de la NASA de 16 vuelos de Orbital . Más allá de eso, tenía un arsenal de 23 motores de la década de 1960 y 1970. Kuznetsov ya no fabrica los motores, por lo que Orbital buscó comprar motores RD-180 . Debido a que el contrato de NPO Energomash con United Launch Alliance impidió esto, Orbital demandó a ULA, alegando violaciones antimonopolio. [21] Aerojet se ofreció a trabajar con Kuznetsov para reiniciar la producción de nuevos motores NK-33, para asegurar a Orbital un suministro continuo. [22] Sin embargo, los defectos de fabricación en la turbobomba de oxígeno líquido del motor y fallas de diseño en el conjunto de equilibrio hidráulico y los cojinetes de empuje se propusieron como dos posibles causas del fracaso del lanzamiento de Antares en 2014 . [23] Como se anunció el 5 de noviembre de 2014, Orbital decidió retirar la primera etapa AJ-26 del Antares y buscar un motor alternativo. El 17 de diciembre de 2014, Orbital Sciences anunció que utilizaría el motor RD-181 de NPO Energomash en los vehículos de lanzamiento Antares de segunda generación y había contratado directamente con NPO Energomash hasta 60 motores RD-181. En la primera etapa de la serie 100 de Antares se utilizan dos motores. [24]
RSC Energia propone un vehículo de lanzamiento "Aurora-L.SK", que utilizaría un NK-33 para impulsar la primera etapa y un Blok DM-SL para la segunda etapa. [25]
A principios de la década de 2010, la familia de vehículos de lanzamiento Soyuz fue modernizada con el motor NK-33, aprovechando su menor peso y mayor eficiencia para aumentar la carga útil; el diseño más simple y el uso de hardware excedente podrían en realidad reducir los costos. [26] TsSKB-Progress utiliza el NK-33 como motor de primera etapa de la versión liviana de la familia de cohetes Soyuz , el Soyuz-2-1v . [27] El NK-33A destinado al Soyuz-2-1v fue encendido en caliente con éxito el 15 de enero de 2013, [28] luego de una serie de pruebas de sistemas y de encendido en frío del Soyuz-1 completamente ensamblado en 2011-2012. [29] El cohete propulsado por NK-33 fue finalmente designado Soyuz-2-1v , y su vuelo inaugural tuvo lugar el 28 de diciembre de 2013. Un motor NK-33 reemplaza al RD-108 central del Soyuz , omitiendo los cuatro propulsores de la primera etapa. No se ha construido una versión del cohete Soyuz con cuatro propulsores propulsados por motores NK-33 (con un motor por propulsor), lo que da como resultado una carga útil reducida en comparación con el vehículo de lanzamiento Soyuz-2 .
A lo largo de los años ha habido muchas versiones de este motor:
