NK-33

NK-33

Negara asal	Soviet Union
Saat pembuatan	1970s
Perancang	Kuznetsov Design Bureau
Penggunaan	1st stage engine
Sebelumnya	NK-15, NK-15V
Sesudahnya	AJ26-58, AJ26-59, AJ26-62
Mesin propelan cair
Propelan	LOX / kerosene
Siklus	Staged combustion
Pompa	Turbopump
Kinerja
Daya dorong (hampa)	1.680 kN (380.000 lbf)
Daya dorong (perm. laut)	1.510 kN (340.000 lbf)
Thrust-to-weight ratio	137
Tekanan ruang	1.483 MPa (215.100 psi)
Isp (vac.)	331 detik (3,25 km/s)
Isp (SL)	297 detik (2,91 km/s)
Dimensi
Panjang	37 m (121 ft)
Diameter	2 m (6 ft 7 in)
Berat kering	1.240 kg (2.730 pon)
Referensi
Referensi

NK-33 (indeks GRAU : 14D15) dan variannya yang dioptimalkan untuk vakum, NK-43 , adalah mesin roket yang dikembangkan pada akhir tahun 1960-an dan awal tahun 1970-an oleh Biro Desain Kuznetsov untuk roket N1 Moon yang gagal dalam program luar angkasa Soviet. NK-33 adalah salah satu mesin roket bertenaga LOX / RP-1 terkuat yang pernah dibuat, terkenal karena impuls spesifiknya yang tinggi dan massa strukturalnya yang rendah.

NK-33 merupakan versi perbaikan dari mesin NK-15 sebelumnya , yang menggerakkan wahana peluncur N1 asli. Peningkatan utama meliputi sistem pneumatik dan hidrolik yang disederhanakan, kontrol yang canggih, turbopump yang disempurnakan, ruang pembakaran yang ditingkatkan, lebih sedikit antarmuka yang menggunakan perangkat piroteknik, dan antarmuka yang dimodifikasi untuk memudahkan penggantian suku cadang selama perbaikan.

Setiap roket N1F akan menggunakan 30 mesin NK-33 pada tahap pertamanya dan delapan mesin NK-43 pada tahap keduanya. Akibatnya, ketika Uni Soviet membatalkan upaya pendaratan bulannya pada tahun 1974, puluhan mesin yang sudah diproduksi dibiarkan tersimpan. Puluhan tahun kemudian, mesin-mesin itu kembali digunakan untuk menggerakkan tahap pertama roket Antares 100 milik Amerika Serikat dan Soyuz-2-1v milik Rusia. Setelah persediaan mesin NK-33 habis, Rusia berencana untuk menggantinya dengan mesin RD-193 yang lebih baru.

Desain

NK-33 engine.

Mesin roket Aerojet AJ26 disiapkan untuk dipasang di E-1 Test Stand di Stennis Space Center.

Roket Antares 100 sedang diluncurkan untuk pengujian, menunjukkan dua mesin NK-33

Roket Soyuz-2.1v diluncurkan ke landasan peluncuran, memperlihatkan mesin tunggal NK-33

Mesin seri NK-33 adalah mesin roket bipropelan siklus pembakaran bertahap yang kaya oksigen, bertekanan tinggi, dan didinginkan secara regeneratif. Turbopump mereka memerlukan oksigen cair subdingin (LOX) untuk mendinginkan bantalan. Desain siklus tertutup kaya oksigen NK-33 mengarahkan gas buang dari mesin bantu ke ruang pembakaran utama. Dalam konfigurasi ini, oksigen cair yang dipanaskan sepenuhnya mengalir melalui pra-pembakar sebelum memasuki ruang utama. Namun, campuran kaya oksigen yang sangat panas menimbulkan tantangan teknik yang signifikan. Masalah utama adalah perlunya oksigen panas bertekanan tinggi untuk mengalir ke seluruh mesin, yang akan menyebabkan permukaan logam luar teroksidasi dengan cepat. Soviet mengatasi hal ini dengan menerapkan lapisan enamel inert ke semua permukaan logam yang terkena oksigen panas.

Kompleksitas teknologi dan sumber daya yang dibutuhkan untuk mengatasinya membuat para insinyur Amerika enggan untuk mengembangkan pembakaran bertahap yang kaya oksidator hingga lama kemudian. Amerika Serikat tidak mengeksplorasi teknologi pembakaran yang kaya oksigen hingga proyek Demonstrator Powerhead Terpadu pada awal tahun 2000-an.

Mesin NK-33 terkenal karena rasio dorong-terhadap-beratnya yang luar biasa, salah satu yang tertinggi di antara mesin roket yang dapat diluncurkan ke Bumi. Mesin ini baru dilampaui dalam beberapa tahun terakhir oleh RD-253 dari NPO Energomash dan mesin Merlin 1D dan Raptor dari SpaceX. NK-43, turunan yang dioptimalkan untuk penggunaan tahap atas, memiliki nosel yang lebih panjang yang dirancang untuk operasi di lingkungan vakum. Desain ini meningkatkan daya dorong dan impuls spesifiknya tetapi membuat mesin lebih panjang dan lebih berat, sehingga menghasilkan rasio dorong-terhadap-berat sekitar 120:1.

Mesin NK-33 dan NK-43 berevolusi dari mesin NK-15 dan NK-15V sebelumnya, yang masing-masing menggerakkan kendaraan peluncur N1 asli. Peningkatan utama meliputi sistem pneumatik dan hidrolik yang disederhanakan, kontrol yang lebih canggih, turbopump yang disempurnakan, ruang pembakaran yang lebih baik, lebih sedikit antarmuka yang menggunakan perangkat piroteknik, dan antarmuka yang dimodifikasi untuk memudahkan penggantian suku cadang selama perbaikan.

Teknologi pembakaran kaya oksigen yang dikembangkan untuk NK-15 dan disempurnakan dalam NK-33 menjadi dasar bagi banyak mesin roket tersukses dalam sejarah Soviet dan Rusia. Mesin-mesin ini meliputi RD-170, RD-180, dan RD-191. Meskipun mesin-mesin ini memiliki siklus pembakaran bertahap yang kaya oksigen, mesin-mesin ini tidak terkait langsung dengan NK-33.

Sejarah

N1

Peluncur N1 awalnya menggunakan mesin NK-15 untuk tahap pertamanya dan varian ketinggian tinggi, NK-15V, untuk tahap keduanya. Soviet mencoba meluncurkan N1 empat kali, tetapi setiap upaya berakhir dengan kegagalan, termasuk satu ledakan dahsyat. Pada saat kegagalan keempat, perlombaan Bulan sudah kalah. Namun, manajer program luar angkasa Soviet berharap kendaraan generasi kedua, yang dijuluki N1F, dapat mendukung ambisi mereka untuk membangun pangkalan Zvezda di Bulan yang diusulkan. Kuznetsov menyempurnakan desain mesinnya untuk N1F, menciptakan mesin NK-33 dan NK-43 yang ditingkatkan.

Meskipun ada kemajuan ini, para pemimpin antariksa Soviet lainnya memprioritaskan roket Energia sebagai peluncur berat negara, dan program N1 akhirnya dibatalkan sebelum N1F dapat mencapai landasan peluncuran. Pada saat pembatalan, dua N1F siap terbang yang dilengkapi dengan 30 mesin NK-33 masing-masing dalam tahap Blok A telah selesai.

Ketika program N1 ditutup, pemerintah Soviet memerintahkan semua materi dan dokumentasi terkait dihancurkan untuk menyembunyikan kegagalan program Uni Soviet di Bulan. Secara resmi, proyek N1 dianggap sebagai "proyek di atas kertas" untuk menyesatkan Amerika Serikat agar percaya bahwa perlombaan di Bulan sedang berlangsung. Cerita sampul ini terus berlanjut hingga era glasnost, ketika perangkat keras yang masih ada dari program tersebut dipamerkan di depan umum.

Namun, keputusan birokrasi menyelamatkan lebih dari 60 mesin NK-33 dari kerusakan, termasuk mesin dari dua tahap Blok A yang telah selesai dan suku cadang tambahan. Mesin-mesin ini disimpan di gudang dan sebagian besar dilupakan sampai keberadaannya diketahui oleh para insinyur di Amerika Serikat hampir 30 tahun kemudian.

Penjualan mesin ke Aerojet

Sekitar 60 mesin selamat di "Hutan Mesin", seperti yang dijelaskan oleh para teknisi dalam perjalanan ke gudang. Pada pertengahan 1990-an, Rusia menjual 36 mesin ke Aerojet dengan biaya per mesin sebesar US$1.100.000 (setara dengan $2.200.000 pada tahun 2023), mengirimkannya ke fasilitas perusahaan di Sacramento, California. Aerojet melakukan uji coba pembakaran pertama mesin NK-33 dalam hampir 30 tahun di tempat uji coba di Sacramento, selama pengujian, mesin tersebut memenuhi spesifikasinya.

Setelah keberhasilan pengujian, Aerojet mulai memperbarui dan memperbaiki mesin NK-33 yang telah mereka beli, dan mulai memasarkannya kepada pelanggan. Mereka akan mengganti nama mesin NK-33 yang dimodifikasi menjadi AJ26-58, AJ-26-59 dan AJ26-62, dan mesin NK-43 menjadi AJ26-60.

Kistler K-1

Rocketplane Kistler (RpK), merancang roket K-1 mereka berdasarkan tiga NK-33 dan satu NK-43. Pada 18 Agustus 2006, NASA mengumumkan bahwa RpK telah dipilih untuk mengembangkan Commercial Orbital Transportation Services untuk Stasiun Luar Angkasa Internasional. Rencana tersebut menyerukan penerbangan demonstrasi antara tahun 2008 dan 2010. RpK akan menerima hingga $207 juta jika mereka memenuhi semua tonggak NASA, tetapi pada 7 September 2007, NASA mengeluarkan surat gagal bayar, yang memperingatkan bahwa mereka akan mengakhiri perjanjian COTS dengan RpK karena perusahaan tersebut tidak memenuhi beberapa tonggak kontrak.

Antares

Versi awal peluncur daya angkat ringan-sedang Antares Orbital Sciences memiliki dua NK-33 yang dimodifikasi pada tahap pertama, tahap kedua berbasis Castor 30 yang solid, dan tahap ketiga yang solid atau hypergolic opsional. NK-33 diimpor dari Rusia ke Amerika Serikat, dimodifikasi, dan ditetapkan ulang sebagai Aerojet AJ26. Ini melibatkan penghapusan beberapa harness listrik, penambahan elektronik AS, kualifikasinya untuk propelan AS, dan modifikasi sistem kemudi.

Pada tahun 2010, mesin NK-33 yang disimpan berhasil diuji untuk digunakan oleh peluncur ringan-sedang Antares milik Orbital Sciences. Roket Antares berhasil diluncurkan dari Fasilitas Penerbangan Wallops milik NASA pada tanggal 21 April 2013. Hal ini menandai peluncuran pertama yang berhasil dari mesin warisan NK-33 yang dibangun pada awal tahun 1970-an.

Aerojet setuju untuk merekondisi cukup NK-33 untuk melayani kontrak Layanan Pasokan Komersial NASA 16 penerbangan Orbital. Di luar itu, ia memiliki persediaan 23 mesin era 1960-an dan 1970-an. Kuznetsov tidak lagi memproduksi mesin, jadi Orbital berusaha membeli mesin RD-180. Karena kontrak NPO Energomash dengan United Launch Alliance mencegah hal ini, Orbital menggugat ULA, dengan tuduhan pelanggaran antimonopoli. Aerojet menawarkan untuk bekerja dengan Kuznetsov untuk memulai kembali produksi mesin NK-33 baru, untuk meyakinkan Orbital tentang pasokan yang berkelanjutan. Namun, cacat produksi pada turbopump oksigen cair mesin dan cacat desain pada rakitan keseimbangan hidrolik dan bantalan dorong diusulkan sebagai dua kemungkinan penyebab kegagalan peluncuran Antares 2014. Seperti yang diumumkan pada 5 November 2014, Orbital memutuskan untuk menghentikan penggunaan tahap pertama AJ-26 dari Antares dan mencari mesin alternatif. Pada 17 Desember 2014, Orbital Sciences mengumumkan bahwa mereka akan menggunakan NPO Energomash RD-181 pada kendaraan peluncur Antares generasi kedua dan telah membuat kontrak langsung dengan NPO Energomash untuk hingga 60 mesin RD-181. Dua mesin digunakan pada tahap pertama Antares seri 100.

Penggunaan saat ini

Pada awal 2010-an, keluarga kendaraan peluncur Soyuz dipasang kembali dengan mesin NK-33. Peningkatan ini memanfaatkan bobot mesin yang lebih ringan dan efisiensi yang lebih besar untuk meningkatkan kapasitas muatan, sementara desainnya yang lebih sederhana dan penggunaan perangkat keras surplus berpotensi mengurangi biaya. RKTs Progress mengintegrasikan NK-33 ke dalam tahap pertama varian Soyuz angkat kecil, Soyuz-2.1v. Pada roket tersebut, satu mesin NK-33 menggantikan mesin RD-108 pusat Soyuz, dan empat pendorong tahap pertama dihilangkan.

NK-33A, yang dimodifikasi khusus untuk Soyuz-2.1v, menjalani uji tembak panas yang sukses pada 15 Januari 2013, setelah serangkaian uji tembak dingin dan sistem roket yang dirakit sepenuhnya yang dilakukan pada tahun 2011 dan 2012. Roket tersebut menyelesaikan penerbangan perdananya pada 28 Desember 2013.

Versi

Selama bertahun-tahun telah ada banyak versi mesin ini:

• NK-15 (indeks GRAU 11D51): Versi awal untuk tahap pertama N1 .
• NK-15V (indeks GRAU 11D52): Dioptimalkan untuk operasi vakum, digunakan pada tahap kedua N1.
• NK-33 (indeks GRAU 11D111): Versi perbaikan NK-15 untuk tahap pertama N1F, tidak pernah diterbangkan.
• NK-43 (indeks GRAU 11D112): Versi perbaikan NK-15V yang dioptimalkan untuk operasi vakum, digunakan pada tahap kedua N1F, tidak pernah diterbangkan.
• AJ26-58 : NK-33 dimodifikasi oleh Aerojet Rocketdyne. Direncanakan untuk digunakan pada Kistler K-1, tetapi proyek tersebut dibatalkan dan mesinnya tidak pernah diterbangkan.
• AJ26-59 : NK-33 dimodifikasi oleh Aerojet Rocketdyne. Direncanakan untuk digunakan pada Kistler K-1, tetapi proyek tersebut dibatalkan dan mesinnya tidak pernah diterbangkan.
• AJ26-62 : NK-33 dimodifikasi oleh Aerojet Rocketdyne dengan mekanisme gimbal tambahan. Digunakan pada tahap pertama Antares seri 100 .
• NK-33A (indeks GRAU 14D15): NK-33 yang diperbaharui yang digunakan pada tahap pertama Soyuz-2.1v.

Lihat pula

• BE-3 – mesin berbahan bakar hidrogen yang saat ini dioperasikan oleh Blue Origin
• SpaceX Raptor – mesin berbahan bakar metana yang dikembangkan oleh SpaceX
• Merlin – mesin operasional berbahan bakar minyak tanah oleh SpaceX
• BE-4 (Blue Engine 4) – mesin berbahan bakar metana yang dikembangkan oleh Blue Origin
• Wahana peluncur antariksa
• Mesin roket
• Rutherford
• Merlin
• RD-107
• RD-0124
• RD-170
• RD-180
• RD-191
• RD-8
• RD-120
• RD-193
• RD-801
• RD-810
• YF-100
• YF-115
• YF-130

Referensi

• The Engines That Came In From The Cold!, Equinox, Channel Four Television Corporation, 2000. Documentary video on Russian rocket engine development of the NK-33 and its predecessors for the N1 rocket. (NK-33 story starts at 24:15–26:00 (program shuttered in 1974); the 1990s resurgence and eventual sale of the remaining engines from storage starts at 27:25; first use on a US rocket launch in May 2000.)
• NK-33's specifications Diarsipkan 2006-10-14 di Wayback Machine.
• NK-33 specifications & key components design (in Russian)