De ce americanii nu pot face motoare spațiale?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Creatorul celor mai bune motoare de rachetă cu propulsie lichidă din lume, academicianul Boris Katorgin, explică de ce americanii încă nu pot repeta realizările noastre în acest domeniu și cum să păstrăm avansul sovietic în viitor.

Pe 21 iunie, la Forumul Economic de la Sankt Petersburg, au fost premiați câștigătorii Premiului Global pentru Energie. O comisie autorizată de experți din industrie din diferite țări a selectat trei cereri din 639 depuse și a numit câștigătorii premiului 2012, care este denumit în mod obișnuit „Premiul Nobel pentru inginerii energetici”. Drept urmare, 33 de milioane de ruble premium au fost împărțite anul acesta de celebrul inventator din Marea Britanie, profesorul Rodney John Allam, și doi dintre oamenii noștri de știință remarcabili - academicieni ai Academiei Ruse de Științe Boris Katorgin și Valery Kostyuk.

Toate trei sunt legate de crearea tehnologiei criogenice, studiul proprietăților produselor criogenice și aplicarea lor în diferite centrale electrice. Academicianul Boris Katorgin a fost premiat „pentru dezvoltarea motoarelor rachete cu propulsie lichidă extrem de eficiente pe combustibili criogenici, care asigură funcționarea fiabilă a sistemelor spațiale cu parametri energetici ridicati pentru utilizarea pașnică a spațiului”. Cu participarea directă a lui Katorgin, care a dedicat mai mult de cincizeci de ani întreprinderii OKB-456, cunoscută acum sub numele de NPO Energomash, au fost create motoare rachete cu propulsie lichidă (LRE), a căror performanță este încă considerată cea mai bună din lume. Katorgin însuși a fost implicat în dezvoltarea schemelor de organizare a procesului de lucru în motoare, formarea amestecului de componente ale combustibilului și eliminarea pulsațiilor în camera de ardere. De asemenea, sunt cunoscute lucrările sale fundamentale privind motoarele de rachete nucleare (NRE) cu un impuls specific ridicat și dezvoltările în domeniul creării de lasere chimice continue puternice.

În vremurile cele mai dificile pentru organizațiile rusești de știință intensivă, din 1991 până în 2009, Boris Katorgin a condus NPO Energomash, combinând funcțiile de director general și designer general, și a reușit nu numai să păstreze compania, ci și să creeze o serie de noi motoare. Absența unei comenzi interne pentru motoare a forțat-o pe Katorgin să caute un client pe piața externă. Unul dintre noile motoare a fost RD-180, dezvoltat în 1995 special pentru participarea la o licitație organizată de corporația americană Lockheed Martin, care a ales un motor de rachetă cu propulsie lichidă pentru vehiculul de lansare Atlas care era modernizat la acel moment. Drept urmare, NPO Energomash a semnat un acord pentru furnizarea a 101 motoare și până la începutul anului 2012 a furnizat deja peste 60 de motoare rachetă Statelor Unite, dintre care 35 au fost operate cu succes pe Atlas la lansarea de sateliți în diverse scopuri..

Înainte de acordarea premiului, Expertul a discutat cu academicianul Boris Katorgin despre starea și perspectivele dezvoltării motoarelor de rachetă cu propulsie lichidă și a aflat de ce motoarele bazate pe dezvoltările de acum patruzeci de ani sunt încă considerate inovatoare, iar RD-180 nu putea fi recreat la fabricile americane.

- Boris Ivanovici, care este exact meritul tău în crearea motoarelor interne cu reacție cu propulsie lichidă, care sunt acum considerate cele mai bune din lume?

- Pentru a explica asta unui neprofesionist, probabil că ai nevoie de o abilitate specială. Pentru motoarele rachete cu propulsie lichidă am dezvoltat camere de ardere, generatoare de gaz; în general, el a supravegheat crearea motoarelor în sine pentru explorarea pașnică a spațiului cosmic. (În camerele de ardere, combustibilul și oxidantul sunt amestecați și arse și se formează un volum de gaze fierbinți, care, apoi aruncate prin duze, creează propulsia reală a jetului; generatoarele de gaz ard și amestecul de combustibil, dar deja pentru funcționarea pompelor turbo, care pompează combustibil și oxidant sub o presiune enormă în aceeași cameră de ardere. - „Expert”.)

- Vorbiți despre explorarea pașnică a spațiului, deși este evident că toate motoarele cu tracțiune de la câteva zeci până la 800 de tone, care au fost create la NPO Energomash, au fost destinate în primul rând nevoilor militare.

- Nu a trebuit să aruncăm o singură bombă atomică, nu am livrat o singură încărcătură nucleară pe rachetele noastre către țintă și mulțumesc lui Dumnezeu. Toate evoluțiile militare au mers în spațiu pașnic. Putem fi mândri de contribuția enormă a rachetelor noastre și a tehnologiei spațiale la dezvoltarea civilizației umane. Datorită astronauticii, s-au născut întregi clustere tehnologice: navigație spațială, telecomunicații, televiziune prin satelit și sisteme de detectare.

- Motorul pentru racheta balistică intercontinentală R-9, la care ați lucrat, a stat apoi la baza aproape întregului program nostru cu echipaj.

- La sfârșitul anilor 1950, am efectuat lucrări de calcul și experimentale pentru a îmbunătăți formarea amestecului în camerele de ardere ale motorului RD-111, care era destinat tocmai acelei rachete. Rezultatele lucrării sunt încă utilizate în motoarele modificate RD-107 și RD-108 pentru aceeași rachetă Soyuz; pe ele au fost efectuate aproximativ două mii de zboruri spațiale, inclusiv toate programele cu echipaj.

- Acum doi ani l-am intervievat pe colegul tău, academicianul laureat al energiei globale Alexander Leontyev. Într-o conversație despre specialiști inchiși publicului larg, ceea ce a fost cândva Leontyev însuși, a menționat Vitaly Ievlev, care a făcut multe și pentru industria noastră spațială.

- Mulți academicieni care au lucrat pentru industria de apărare au fost clasificați - acesta este un fapt. Acum multe au fost desecretizate - și acesta este un fapt. Îl cunosc foarte bine pe Alexander Ivanovici: a lucrat la crearea unor metode de calcul și metode de răcire a camerelor de ardere ale diferitelor motoare de rachete. Rezolvarea acestei probleme tehnologice nu a fost ușoară, mai ales când am început să stoarcem cât mai mult posibil energia chimică a amestecului de combustibil pentru a obține impulsul specific maxim, crescând, printre alte măsuri, presiunea din camerele de ardere la 250 de atmosfere. Să luăm cel mai puternic motor al nostru - RD-170. Consumul de combustibil cu un agent oxidant - kerosen cu oxigen lichid care trece prin motor - 2,5 tone pe secundă. Fluxurile de căldură în el ajung la 50 de megawați pe metru pătrat - aceasta este o energie uriașă. Temperatura din camera de ardere este de 3,5 mii de grade Celsius. A fost necesar să se vină cu o răcire specială pentru camera de ardere, astfel încât să funcționeze calculat și să reziste la capul termic. Alexandru Ivanovici a făcut exact asta și, trebuie să spun, a făcut o treabă excelentă. Vitali Mikhailovici Ievlev - Membru corespondent al Academiei Ruse de Științe, Doctor în Științe Tehnice, Profesor, care, din păcate, a murit destul de devreme, - a fost un om de știință de cel mai larg profil, poseda o erudiție enciclopedică. Asemenea lui Leontiev, a lucrat mult la metodologia de calcul a structurilor termice de mare stres. Munca lor undeva s-a intersectat, undeva au fost integrate și, ca urmare, s-a obținut o metodă excelentă prin care se poate calcula intensitatea căldurii oricăror camere de ardere; acum, poate, folosind-o, orice student o poate face. În plus, Vitaly Mikhailovici a participat activ la dezvoltarea motoarelor nucleare cu rachete cu plasmă. Aici interesele noastre s-au intersectat în anii când Energomash făcea la fel.

- În conversația noastră cu Leontyev, am vorbit despre vânzarea motoarelor energomash RD-180 în SUA, iar Alexander Ivanovich a spus că, în multe privințe, acest motor este rezultatul dezvoltărilor care au fost făcute chiar în timpul creării RD-170., și într-un fel pe jumătate. Este acesta într-adevăr rezultatul backscaling-ului?

- Orice motor într-o nouă dimensiune este, desigur, un aparat nou. RD-180 cu o tracțiune de 400 de tone este de fapt jumătate din dimensiunea RD-170 cu o tracțiune de 800 de tone. RD-191, proiectat pentru noua noastră rachetă Angara, are o tracțiune de 200 de tone. Ce au aceste motoare în comun? Toate au o pompă turbo, dar RD-170 are patru camere de ardere, RD-180 „american” are două, iar RD-191 are una. Fiecare motor are nevoie de propria sa unitate de pompă turbo - la urma urmei, dacă RD-170 cu patru camere consumă aproximativ 2,5 tone de combustibil pe secundă, pentru care a fost dezvoltată o pompă turbo cu o capacitate de 180 de mii de kilowați, care este de peste două ori mai mare decât, de exemplu, puterea reactorului spărgător de gheață atomic "Arktika", apoi RD-180 cu două camere - doar jumătate, 1, 2 tone. La dezvoltarea pompelor turbo pentru RD-180 și RD-191, am participat direct și, în același timp, am condus crearea acestor motoare în ansamblu.

- Deci camera de ardere este aceeași la toate aceste motoare, doar numărul lor este diferit?

- Da, iar aceasta este principala noastră realizare. Într-o astfel de cameră cu un diametru de doar 380 de milimetri, se ard puțin mai mult de 0,6 tone de combustibil pe secundă. Fără a exagera, această cameră este un echipament unic cu stres termic ridicat, cu curele speciale pentru a proteja împotriva fluxurilor puternice de căldură. Protecția se realizează nu numai datorită răcirii exterioare a pereților camerei, ci și datorită unei metode ingenioase de „căptușire” a unui film de combustibil pe aceștia, care se evaporă și răcește peretele. Pe baza acestei camere remarcabile, care nu are egal în lume, producem cele mai bune motoare ale noastre: RD-170 și RD-171 pentru Energia și Zenit, RD-180 pentru Atlasul american și RD-191 pentru noua rachetă rusă. „Angara”.

- „Angara” trebuia să înlocuiască „Proton-M” în urmă cu câțiva ani, dar creatorii rachetei s-au confruntat cu probleme serioase, primele teste de zbor au fost amânate în mod repetat, iar proiectul pare să continue să se blocheze.

- Chiar au fost probleme. Acum a fost luată decizia de a lansa racheta în 2013. Particularitatea Angara este că, pe baza modulelor sale universale de rachete, este posibil să se creeze o întreagă familie de vehicule de lansare cu o capacitate de sarcină utilă de 2,5 până la 25 de tone pentru a lansa marfa pe orbita joasă a pământului pe baza Motor universal cu oxigen-kerosen RD-191. Angara-1 are un singur motor, Angara-3 - trei cu o tracțiune totală de 600 de tone, Angara-5 va avea 1000 de tone de tracțiune, adică va putea pune mai multă marfă pe orbită decât Proton. În plus, în locul heptilului foarte toxic, care este ars în motoarele Proton, folosim combustibil ecologic, după care rămâne doar apă și dioxid de carbon.

- Cum s-a întâmplat ca același RD-170, care a fost creat la mijlocul anilor 1970, să rămână, de fapt, un produs inovator, iar tehnologiile sale să fie folosite ca bază pentru noile motoare de rachetă?

- O poveste similară s-a întâmplat cu o aeronavă creată după al Doilea Război Mondial de Vladimir Mihailovici Miasishchev (un bombardier strategic cu rază lungă de acțiune din seria M, dezvoltat de OKB-23 din Moscova din anii 1950 - „Expert”). În multe privințe, avionul a fost cu treizeci de ani înaintea timpului său, iar elementele designului său au fost apoi împrumutate de alți producători de avioane. Așa este aici: în RD-170 există o mulțime de elemente noi, materiale, soluții de design. Conform estimărilor mele, ele nu vor deveni învechite încă câteva decenii. Acest lucru se datorează în primul rând fondatorului NPO Energomash și designerului său general Valentin Petrovici Glushko și membru corespondent al Academiei Ruse de Științe Vitali Petrovici Radovsky, care a condus compania după moartea lui Glushko. (Rețineți că cele mai bune caracteristici energetice și operaționale ale RD-170 din lume se datorează în mare parte soluției lui Katorgin la problema suprimării instabilității combustiei de înaltă frecvență prin dezvoltarea deflectoare antipulsație în aceeași cameră de ardere. - "Expert".) Și primul -etapă RD-253 motor pentru racheta purtătoare „Proton”? Introdus în 1965, este atât de perfect încât nu a fost încă depășit de nimeni. Așa a învățat Glushko să proiecteze - la limita posibilului și mereu peste media mondială. De asemenea, este important să ne amintim un alt lucru: țara a investit în viitorul ei tehnologic. Cum a fost în Uniunea Sovietică? Ministerul Construcțiilor Generale de Mașini, care, în special, era responsabil de spațiu și rachete, a cheltuit 22 la sută din bugetul său uriaș doar pentru cercetare și dezvoltare - în toate domeniile, inclusiv în propulsie. Astăzi, finanțarea cercetării este mult mai mică și asta spune multe.

- Dobândirea unor calități perfecte de către aceste motoare-rachetă, și asta s-a întâmplat cu o jumătate de secol în urmă, că un motor-rachetă cu o sursă de energie chimică este într-un fel depășită: principalele descoperiri au fost făcute în noile generații de motoare-rachetă, acum vorbim mai mult despre așa-numitele inovații de sprijin??

- Cu siguranta nu. Motoarele de rachete cu propulsie lichidă sunt solicitate și vor fi solicitate pentru o perioadă foarte lungă de timp, deoarece nicio altă tehnologie nu este capabilă să ridice mai fiabil și mai economic o sarcină de pe Pământ și să o pună pe orbita joasă a Pământului. Sunt prietenoase cu mediul, în special cele care funcționează cu oxigen lichid și kerosen. Dar pentru zborurile către stele și alte galaxii, motoarele de rachete cu propulsie lichidă, desigur, sunt complet nepotrivite. Masa întregii metagalaxii este de 10 până la 56 de grade de grame. Pentru a accelera cu un motor cu propulsie lichidă la cel puțin un sfert din viteza luminii, este necesară o cantitate absolut incredibilă de combustibil - 10 până la 3200 de grame, așa că chiar și să te gândești la asta este o prostie. Motorul rachetă cu propulsie lichidă are propria sa nișă - motoare de susținere. Pe motoarele lichide, puteți accelera purtătorul la a doua viteză cosmică, puteți zbura pe Marte și atât.

- Următoarea etapă - motoarele de rachete nucleare?

- Cu siguranță. Nu se știe dacă vom trăi pentru a vedea unele dintre etape, dar s-au făcut multe pentru dezvoltarea motoarelor de rachetă cu propulsie nucleară deja în perioada sovietică. Acum, sub conducerea Centrului Keldysh, condus de academicianul Anatoly Sazonovich Koroteev, se dezvoltă așa-numitul modul de transport și energie. Proiectanții au ajuns la concluzia că este posibil să se creeze un reactor nuclear răcit cu gaz, care este mai puțin stresant decât a fost în URSS, care va funcționa atât ca centrală electrică, cât și ca sursă de energie pentru motoarele cu plasmă atunci când călătoresc în spațiu.. Un astfel de reactor este acum proiectat la NIKIET, numit după N. A. Dollezhal, sub conducerea Membrului Corespondent al Academiei Ruse de Științe, Yuri Dragunov. Biroul de proiectare „Fakel” din Kaliningrad participă și el la proiect, unde sunt create motoare de propulsie electrice. Ca și în perioada sovietică, nu se va descurca fără Biroul de proiectare al automatizării chimice Voronezh, unde vor fi fabricate turbine cu gaz și compresoare pentru a conduce un lichid de răcire - un amestec de gaze într-o buclă închisă.

- Între timp, mergem la motorul rachetei?

- Desigur, și vedem clar perspectivele dezvoltării în continuare a acestor motoare. Există sarcini tactice, pe termen lung, nu există nicio limită aici: introducerea de noi acoperiri, mai rezistente la căldură, noi materiale compozite, o scădere a masei motoarelor, o creștere a fiabilității acestora și o simplificare a controlului. sistem. Pot fi introduse o serie de elemente pentru a controla mai bine uzura pieselor și a altor procese care au loc în motor. Există sarcini strategice: de exemplu, dezvoltarea metanului lichefiat și a acetilenei ca combustibil împreună cu amoniacul sau combustibilul cu trei componente. NPO Energomash dezvoltă un motor cu trei componente. Un astfel de motor de rachetă cu propulsie lichidă ar putea fi folosit ca motor atât pentru prima cât și pentru a doua etapă. În prima etapă, utilizează componente bine dezvoltate: oxigen, kerosen lichid, iar dacă adăugați aproximativ cinci la sută mai mult hidrogen, atunci impulsul specific va crește semnificativ - una dintre principalele caracteristici energetice ale motorului, ceea ce înseamnă că o sarcină utilă mai mare. poate fi trimis în spațiu. În prima etapă, tot kerosenul este produs cu adăugarea de hidrogen, iar în a doua, același motor trece de la funcționarea cu combustibil cu trei componente la unul cu două componente - hidrogen și oxigen.

Am creat deja un motor experimental, deși de dimensiuni reduse și cu o forță de doar aproximativ 7 tone, am efectuat 44 de teste, am realizat elemente de amestecare la scară mare în duze, în generatorul de gaz, în camera de ardere și am aflat că puteți lucra mai întâi la trei componente și apoi treceți ușor la două. Totul merge bine, se obține o eficiență ridicată de ardere, dar pentru a merge mai departe, avem nevoie de o probă mai mare, trebuie să modificăm suporturile pentru a lansa componentele pe care le vom folosi într-un motor real în camera de ardere: hidrogen lichid și oxigen, precum și kerosen. Cred că aceasta este o direcție foarte promițătoare și un mare pas înainte. Și sper să am timp să fac ceva în timpul vieții mele.

- De ce americanii, după ce au primit dreptul de a reproduce RD-180, nu au reușit să-l facă de mulți ani?

- Americanii sunt foarte pragmatici. În anii 1990, chiar la începutul muncii lor cu noi, au realizat că în domeniul energetic eram cu mult înaintea lor și trebuia să adoptăm aceste tehnologii de la noi. De exemplu, motorul nostru RD-170 dintr-o pornire, datorită unui impuls specific mai mare, ar putea scoate o sarcină utilă cu două tone mai mult decât cel mai puternic F-1 al lor, ceea ce însemna la acea vreme un câștig de 20 de milioane de dolari. Ei au anunțat un concurs pentru un motor de 400 de tone pentru Atlasele lor, care a fost câștigat de RD-180. Atunci americanii s-au gândit că vor începe să lucreze cu noi, iar în patru ani ne vor lua tehnologiile și le vor reproduce ei înșiși. Le-am spus imediat: veți cheltui mai mult de un miliard de dolari și zece ani. Au trecut patru ani și ei spun: da, e nevoie de șase ani. Au trecut mai mulți ani, spun ei: nu, mai avem nevoie de opt ani. Au trecut șaptesprezece ani și nu au reprodus niciun motor. Acum au nevoie de miliarde de dolari doar pentru echipamentele de bancă. La Energomash avem standuri unde același motor RD-170 poate fi testat într-o cameră de presiune, a cărei putere de jet ajunge la 27 de milioane de kilowați.

- Am auzit bine - 27 gigawați? Aceasta este mai mult decât capacitatea instalată a tuturor centralelor nucleare Rosatom.

- Douăzeci și șapte de gigawați este puterea jetului, care se dezvoltă într-un timp relativ scurt. În timpul testelor pe stand, energia jetului este mai întâi stinsă într-un bazin special, apoi într-o conductă de dispersie de 16 metri diametru și 100 de metri înălțime. Este nevoie de mulți bani pentru a construi un banc de testare ca acesta, care să poată găzdui un motor care generează o astfel de putere. Americanii au renunțat acum la asta și iau produsul finit. Drept urmare, nu vindem materii prime, ci un produs cu o valoare adăugată uriașă, în care se investește forță de muncă foarte intelectuală. Din păcate, în Rusia, acesta este un exemplu rar de vânzări high-tech în străinătate într-un volum atât de mare. Dar asta dovedește că, cu formularea corectă a întrebării, suntem capabili de multe.

- Boris Ivanovici, ce ar trebui făcut pentru a nu pierde avansul câștigat de clădirea motoarelor rachete sovietice? Probabil, în afară de lipsa finanțării pentru cercetare și dezvoltare, o altă problemă este și foarte dureroasă - personalul?

- Pentru a rămâne pe piața mondială, trebuie să mergi înainte tot timpul, să creezi produse noi. Aparent, până la capătul nostru a fost apăsat și tunetul a lovit. Dar statul trebuie să realizeze că, fără noi evoluții, se va găsi la marginea pieței mondiale, iar astăzi, în această perioadă de tranziție, deși nu am ajuns încă la capitalismul normal, trebuie în primul rând să investească în noul - statul. Apoi puteți transfera dezvoltarea pentru lansarea unei serii unei companii private în condiții benefice atât pentru stat, cât și pentru afaceri. Nu cred că este imposibil să vină cu metode rezonabile de a crea ceva nou, fără ele este inutil să vorbim despre dezvoltare și inovații.

Există personal. Sunt șeful unui departament la Institutul de Aviație din Moscova, unde pregătim atât specialiști în motoare, cât și specialiști laser. Băieții sunt deștepți, vor să facă afacerea pe care o învață, dar trebuie să le dai un impuls inițial normal ca să nu plece, așa cum fac mulți oameni acum, să scrie programe de distribuire a mărfurilor în magazine. Pentru aceasta este necesar să se creeze un mediu de laborator adecvat, să se acorde un salariu decent. Construiți structura corectă de interacțiune între știință și Ministerul Educației. Aceeași Academie de Științe rezolvă multe probleme legate de pregătirea personalului. Într-adevăr, printre actualii membri ai academiei, membri corespondenți, se numără mulți specialiști care administrează întreprinderi de înaltă tehnologie și institute de cercetare, birouri de proiectare puternice. Ei sunt direct interesați de departamentele alocate organizațiilor lor pentru a educa specialiștii necesari în domeniul tehnologiei, fizicii, chimiei, astfel încât să primească imediat nu doar un absolvent universitar de specialitate, ci un specialist gata făcut, cu ceva de viață și științific și experiență tehnică. Mereu a fost așa: cei mai buni specialiști s-au născut în institute și întreprinderi în care au existat departamente de învățământ. La Energomash și la NPO Lavochkin avem departamente ale filialei Institutului de Aviație din Moscova „Kometa”, pe care eu sunt responsabil. Sunt cadre vechi care pot transmite experiența tinerilor. Dar a mai rămas foarte puțin timp, iar pierderile vor fi irecuperabile: pentru a vă întoarce pur și simplu la nivelul actual, va trebui să depuneți mult mai mult efort decât este necesar astăzi pentru a-l menține.