Prečo Američania nemôžu vyrábať vesmírne motory?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Tvorca najlepších svetových raketových motorov na kvapalné palivo, akademik Boris Katorgin, vysvetľuje, prečo Američania stále nedokážu zopakovať naše úspechy v tejto oblasti a ako si udržať sovietsky náskok aj v budúcnosti.

21. júna na Petrohradskom ekonomickom fóre boli ocenení víťazi Global Energy Prize. Autoritatívna komisia zložená z odborníkov z rôznych krajín vybrala tri prihlášky zo 639 predložených a vymenovala víťazov ceny za rok 2012, ktorá sa bežne nazýva „Nobelova cena pre energetikov“. Výsledkom bolo, že 33 miliónov prémiových rubľov si tento rok rozdelili slávny vynálezca z Veľkej Británie, profesor Rodney John Allam, a dvaja naši vynikajúci vedci - akademici Ruskej akadémie vied Boris Katorgin a Valerij Kostyuk.

Všetky tri súvisia s tvorbou kryogénnej technológie, štúdiom vlastností kryogénnych produktov a ich aplikáciou v rôznych elektrárňach. Akademik Boris Katorgin bol ocenený „za vývoj vysoko účinných raketových motorov na kvapalné palivo na kryogénne palivá, ktoré poskytujú spoľahlivú prevádzku vesmírnych systémov s vysokými energetickými parametrami pre mierové využitie vesmíru“. Za priamej účasti Katorgina, ktorý sa viac ako päťdesiat rokov venoval podniku OKB-456, dnes známemu ako NPO Energomash, vznikli raketové motory na kvapalné palivo (LRE), ktorých výkon je dodnes považovaný za najlepší na svete. Samotný Katorgin sa zaoberal vývojom schém na organizáciu pracovného procesu v motoroch, tvorbu zmesi zložiek paliva a elimináciu pulzácií v spaľovacej komore. Známe sú aj jeho zásadné práce na jadrových raketových motoroch (NRE) s vysokým špecifickým impulzom a vývoj v oblasti vytvárania výkonných kontinuálnych chemických laserov.

V najťažších časoch pre ruské organizácie náročné na vedu, od roku 1991 do roku 2009, Boris Katorgin viedol NPO Energomash, kombinoval pozície generálneho riaditeľa a generálneho projektanta, a podarilo sa mu nielen udržať spoločnosť, ale aj vytvoriť množstvo nových motory. Absencia internej objednávky motorov prinútila Katorgin hľadať zákazníka na externom trhu. Jedným z nových motorov bol RD-180, vyvinutý v roku 1995 špeciálne pre účasť vo výberovom konaní organizovanom americkou korporáciou Lockheed Martin, ktorá zvolila raketový motor na kvapalné palivo pre v tom čase modernizovanú nosnú raketu Atlas. V dôsledku toho NPO Energomash podpísal dohodu o dodávke 101 motorov a začiatkom roku 2012 už dodal do Spojených štátov viac ako 60 raketových motorov, z ktorých 35 bolo úspešne prevádzkovaných na Atlase pri vypúšťaní satelitov na rôzne účely..

Pred udelením ceny sa Expert porozprával s akademikom Borisom Katorginom o stave a perspektívach vývoja raketových motorov na kvapalné palivo a zistil, prečo sú motory založené na vývoji spred štyridsiatich rokov stále považované za inovatívne a RD-180 nemohli byť znovu vytvorené v amerických továrňach.

- Boris Ivanovič, aká je vaša zásluha na vytvorení domácich prúdových motorov na kvapalné palivo, ktoré sú teraz považované za najlepšie na svete?

- Aby ste to vysvetlili laikovi, zrejme potrebujete špeciálnu zručnosť. Pre raketové motory na kvapalné palivo som vyvinul spaľovacie komory, plynové generátory; vo všeobecnosti dohliadal na vytváranie samotných motorov na mierový prieskum vesmíru. (V spaľovacích komorách sa palivo a okysličovadlo zmiešajú a spália a vytvorí sa objem horúcich plynov, ktoré následne vyvrhnú cez dýzy a vytvoria vlastný prúdový ťah; plynové generátory tiež spaľujú palivovú zmes, ale už pre prevádzka turbo čerpadiel, ktoré pumpujú palivo a okysličovadlo pod obrovským tlakom do tej istej spaľovacej komory. - "Expert".)

- Hovoríte o mierovom prieskume vesmíru, aj keď je zrejmé, že všetky motory s ťahom od niekoľkých desiatok do 800 ton, ktoré vznikli v NPO Energomash, boli určené predovšetkým pre vojenské potreby.

- Nemuseli sme zhodiť ani jednu atómovú bombu, nedopravili sme do cieľa ani jednu jadrovú nálož na naše rakety a vďaka Bohu. Všetok vojenský vývoj smeroval do mierového priestoru. Môžeme byť hrdí na obrovský prínos našej raketovej a vesmírnej techniky pre rozvoj ľudskej civilizácie. Vďaka astronautike sa zrodili celé technologické zoskupenia: vesmírna navigácia, telekomunikácie, satelitná televízia a snímacie systémy.

- Motor pre medzikontinentálnu balistickú strelu R-9, na ktorej ste pracovali, potom tvoril základ takmer celého nášho pilotovaného programu.

- Koncom 50. rokov som vykonal výpočtové a experimentálne práce na zlepšení tvorby zmesi v spaľovacích komorách motora RD-111, ktorý bol určený práve pre túto raketu. Výsledky práce sa dodnes používajú v upravených motoroch RD-107 a RD-108 pre tú istú raketu Sojuz, vykonalo sa na nich asi dvetisíc vesmírnych letov vrátane všetkých pilotovaných programov.

- Pred dvoma rokmi som robil rozhovor s vaším kolegom, akademikom, laureátom globálnej energetiky Alexandrom Leontyevom. V rozhovore o špecialistoch uzavretom pre širokú verejnosť, ktorým kedysi bol aj samotný Leontyev, spomenul Vitalija Ievleva, ktorý tiež urobil veľa pre náš vesmírny priemysel.

- Mnohí akademici, ktorí pracovali pre obranný priemysel, boli klasifikovaní - to je fakt. Teraz sa toho veľa odtajnilo – aj to je fakt. Alexandra Ivanoviča poznám veľmi dobre: pracoval na vytvorení výpočtových metód a metód chladenia spaľovacích komôr rôznych raketových motorov. Vyriešenie tohto technologického problému nebolo jednoduché, najmä keď sme začali čo najviac vytláčať chemickú energiu palivovej zmesi, aby sme získali maximálny špecifický impulz, pričom sme okrem iných opatrení zvýšili aj tlak v spaľovacích komorách na 250 atmosfér. Zoberme si náš najvýkonnejší motor – RD-170. Spotreba paliva s oxidačným činidlom - petrolejom s kvapalným kyslíkom prechádzajúcim motorom - 2,5 tony za sekundu. Tepelné toky v nej dosahujú 50 megawattov na meter štvorcový – to je obrovská energia. Teplota v spaľovacej komore je 3,5 tisíc stupňov Celzia. Bolo potrebné vymyslieť špeciálne chladenie spaľovacej komory, aby fungovala vypočítane a vydržala tepelnú hlavu. Alexander Ivanovič to urobil a musím povedať, že odviedol vynikajúcu prácu. Vitalij Michajlovič Ievlev - člen korešpondenta Ruskej akadémie vied, doktor technických vied, profesor, ktorý, žiaľ, pomerne skoro zomrel, - bol vedec najširšieho profilu, mal encyklopedickú erudíciu. Rovnako ako Leontiev veľa pracoval na metodike výpočtu tepelných konštrukcií s vysokým napätím. Ich práca sa niekde pretínala, niekde sa integrovala a výsledkom bola vynikajúca metóda, pomocou ktorej je možné vypočítať tepelnú intenzitu akýchkoľvek spaľovacích komôr; teraz to snáď zvládne každý študent. Okrem toho sa Vitaly Michajlovič aktívne podieľal na vývoji jadrových plazmových raketových motorov. Tu sa naše záujmy pretínali v rokoch, keď to isté robil Energomash.

- V našom rozhovore s Leontyevom sme sa dotkli predaja motorov RD-180 energomash v USA a Alexander Ivanovič povedal, že tento motor je v mnohých ohľadoch výsledkom vývoja, ktorý sa uskutočnil práve počas vytvárania RD-170. a v istom zmysle je to polovica. Je to naozaj výsledok spätného škálovania?

- Akýkoľvek motor v novej dimenzii je, samozrejme, nový prístroj. RD-180 s ťahom 400 ton je v skutočnosti polovičná oproti RD-170 s ťahom 800 ton. RD-191, navrhnutý pre našu novú raketu Angara, má ťah 200 ton. Čo majú tieto motory spoločné? Všetky majú jedno turbočerpadlo, no RD-170 má štyri spaľovacie komory, „americký“RD-180 má dve a RD-191 jednu. Každý motor potrebuje svoju vlastnú turbočerpadlo - koniec koncov, ak štvorkomorový RD-170 spotrebuje asi 2,5 tony paliva za sekundu, na čo bolo vyvinuté turbočerpadlo s výkonom 180 tisíc kilowattov, čo je viac ako dvojnásobok vyšší ako napríklad výkon reaktora atómového ľadoborca "Arktika", potom dvojkomorový RD-180 - iba polovica, 1, 2 tony. Na vývoji turbo čerpadiel pre RD-180 a RD-191 som sa priamo podieľal a zároveň viedol tvorbu týchto motorov ako celku.

- Takže spaľovací priestor je u všetkých týchto motorov rovnaký, len ich počet je iný?

- Áno, a to je náš hlavný úspech. V jednej takejto komore s priemerom iba 380 milimetrov sa spáli o niečo viac ako 0,6 tony paliva za sekundu. Bez preháňania je táto kamera jedinečným zariadením na vysoké tepelné namáhanie so špeciálnymi pásmi na ochranu pred silnými tepelnými tokmi. Ochrana sa vykonáva nielen vonkajším chladením stien komory, ale aj dômyselným spôsobom "obloženie" palivovým filmom na nich, ktorý sa odparuje a ochladzuje stenu. Na základe tejto vynikajúcej kamery, ktorá nemá vo svete obdobu, vyrábame naše najlepšie motory: RD-170 a RD-171 pre Energiu a Zenit, RD-180 pre americký Atlas a RD-191 pre novú ruskú raketu. "Angara".

- "Angara" mala nahradiť "Proton-M" pred niekoľkými rokmi, ale tvorcovia rakety čelili vážnym problémom, prvé letové testy boli opakovane odložené a zdá sa, že projekt naďalej stagnuje.

- Naozaj tam boli problémy. Teraz padlo rozhodnutie vypustiť raketu v roku 2013. Zvláštnosťou Angary je, že na základe jej univerzálnych raketových modulov je možné vytvoriť celú rodinu nosných rakiet s nosnosťou 2,5 až 25 ton na vypustenie nákladu na nízku obežnú dráhu Zeme na základe tzv. Univerzálny kyslíkovo-petrolejový motor RD-191. Angara-1 má jeden motor, Angara-3 - tri s celkovým ťahom 600 ton, Angara-5 bude mať ťah 1000 ton, to znamená, že bude môcť vyniesť na obežnú dráhu viac nákladu ako Proton. Navyše namiesto veľmi toxického heptylu, ktorý sa spaľuje v motoroch Proton, používame ekologické palivo, po ktorom ostane len voda a oxid uhličitý.

- Ako sa stalo, že ten istý RD-170, ktorý bol vytvorený v polovici sedemdesiatych rokov, stále zostáva v skutočnosti inovatívnym produktom a jeho technológie sa používajú ako základ pre nové raketové motory?

- Podobný príbeh sa stal s lietadlom vytvoreným po druhej svetovej vojne Vladimírom Michajlovičom Mjasiščevom (strategický bombardér s dlhým doletom série M, vyvinutý moskovským OKB-23 z 50. rokov - „Expert“). Lietadlo v mnohých ohľadoch predbehlo dobu o tridsať rokov a prvky jeho konštrukcie si potom požičali iní výrobcovia lietadiel. Tak je to tu: v RD-170 je veľa nových prvkov, materiálov, dizajnových riešení. Podľa mojich odhadov nezostarnú ešte niekoľko desaťročí. Je to predovšetkým zásluha zakladateľa NPO Energomash a jeho generálneho konštruktéra Valentina Petroviča Gluška a člena korešpondenta Ruskej akadémie vied Vitalija Petroviča Radovského, ktorý stál na čele spoločnosti po Glushkovej smrti. (Všimnite si, že svetovo najlepšie energetické a prevádzkové charakteristiky RD-170 sú z veľkej časti spôsobené riešením problému potlačenia nestability vysokofrekvenčného spaľovania vyvinutím antipulzačných usmerňovačov v tej istej spaľovacej komore Katorginom. - "Expert".) A prvý -stupňový motor RD-253 pre nosnú raketu "Proton"? Predstavený už v roku 1965 je taký dokonalý, že ho ešte nikto neprekonal. Takto sa Glushko naučil navrhovať – na hranici možného a vždy nad svetovým priemerom. Je tiež dôležité pamätať na ďalšiu vec: krajina investovala do svojej technologickej budúcnosti. Ako to bolo v Sovietskom zväze? Ministerstvo všeobecného strojárstva, ktoré malo na starosti najmä vesmír a rakety, vynaložilo 22 percent zo svojho obrovského rozpočtu len na výskum a vývoj – vo všetkých oblastiach vrátane pohonu. Dnes je financovanie výskumu oveľa menšie a to hovorí veľa.

- Nie je dosiahnutie niektorých dokonalých vlastností týmito raketovými motormi, a to sa stalo pred polstoročím, že raketový motor s chemickým zdrojom energie je v istom zmysle zastaraný: hlavné objavy boli urobené v nových generáciách raketových motorov?, teraz hovoríme skôr o takzvaných podporných inováciách??

- Rozhodne nie. Raketové motory na kvapalné palivo sú žiadané a budú žiadané ešte veľmi dlho, pretože žiadna iná technológia nie je schopná spoľahlivejšie a hospodárnejšie zdvihnúť náklad zo Zeme a dostať ho na nízku obežnú dráhu Zeme. Sú šetrné k životnému prostrediu, najmä tie, ktoré fungujú na kvapalnom kyslíku a petroleji. Ale na lety k hviezdam a iným galaxiám sú raketové motory na kvapalné palivo, samozrejme, úplne nevhodné. Hmotnosť celej metagalaxie je 10 až 56 stupňov gramov. Na zrýchlenie motora na kvapalné palivo aspoň na štvrtinu rýchlosti svetla je potrebné úplne neuveriteľné množstvo paliva - 10 až 3200 gramov, takže čo i len pomyslieť na to je hlúposť. Raketový motor na kvapalné palivo má svoje vlastné miesto - motory na udržiavanie. Na kvapalných motoroch môžete nosič zrýchliť na druhú kozmickú rýchlosť, letieť na Mars a je to.

- Ďalší stupeň - jadrové raketové motory?

- Určite. Nie je známe, či sa niektorých etáp dožijeme, no pre vývoj raketových motorov s jadrovým pohonom sa už v sovietskych časoch urobilo veľa. Teraz sa pod vedením Keldyšského centra, ktoré vedie akademik Anatolij Sazonovič Korotejev, vyvíja takzvaný dopravno-energetický modul. Konštruktéri dospeli k záveru, že je možné vytvoriť plynom chladený jadrový reaktor, ktorý bude menej namáhaný ako v ZSSR, ktorý bude fungovať ako elektráreň aj ako zdroj energie pre plazmové motory pri cestovaní vesmírom.. Takýto reaktor sa teraz navrhuje v NIKIET pomenovanom po N. A. Dollezhalovi pod vedením člena korešpondenta Ruskej akadémie vied Jurija Dragunova. Na projekte sa podieľa aj Kaliningradská konštrukčná kancelária "Fakel", kde vznikajú elektrické hnacie motory. Rovnako ako za sovietskych čias sa to nezaobíde bez Voronežského konštrukčného úradu pre chemickú automatiku, kde sa budú vyrábať plynové turbíny a kompresory na pohon chladiacej kvapaliny – zmesi plynov v uzavretej slučke.

- Medzitým ideme na raketový motor?

- Samozrejme, a jasne vidíme perspektívy ďalšieho vývoja týchto motorov. Existujú taktické, dlhodobé úlohy, tu neexistujú žiadne obmedzenia: zavedenie nových, tepelne odolnejších povlakov, nových kompozitných materiálov, zníženie hmotnosti motorov, zvýšenie ich spoľahlivosti a zjednodušenie ovládania. schémy. Na lepšiu kontrolu opotrebovania dielov a iných procesov vyskytujúcich sa v motore je možné zaviesť množstvo prvkov. Sú tu strategické úlohy: napríklad vývoj skvapalneného metánu a acetylénu ako paliva spolu s čpavkom alebo trojzložkovým palivom. NPO Energomash vyvíja trojzložkový motor. Takýto raketový motor na kvapalné palivo by sa mohol použiť ako motor pre prvý aj druhý stupeň. V prvej fáze používa dobre vyvinuté komponenty: kyslík, tekutý petrolej a ak pridáte asi o päť percent viac vodíka, potom sa špecifický impulz výrazne zvýši - jedna z hlavných energetických charakteristík motora, čo znamená, že väčšie užitočné zaťaženie možno poslať do vesmíru. V prvom stupni sa všetok kerozín vyrába s prídavkom vodíka a v druhom sa ten istý motor prepína z prevádzky na trojzložkové palivo na dvojzložkové - vodík a kyslík.

Už sme vytvorili experimentálny motor, aj keď malého rozmeru a ťahu len asi 7 ton, vykonali 44 testov, vyrobili plnohodnotné miešacie prvky v dýzach, v generátore plynu, v spaľovacej komore a zistili sme, že môžete najskôr pracovať na troch komponentoch a potom plynulo prejsť na dve. Všetko funguje, je dosiahnutá vysoká účinnosť spaľovania, ale aby sme išli ďalej, potrebujeme väčšiu vzorku, musíme upraviť stojany, aby sme komponenty, ktoré použijeme v skutočnom motore, spúšťali do spaľovacej komory: kvapalný vodík a kyslík, ako aj petrolej. Myslím si, že toto je veľmi sľubný smer a veľký krok vpred. A dúfam, že budem mať počas života čas niečo urobiť.

- Prečo Američania, ktorí získali právo reprodukovať RD-180, ho už mnoho rokov nemohli vyrábať?

- Američania sú veľmi pragmatickí. V deväťdesiatych rokoch, na úplnom začiatku pôsobenia u nás, si uvedomili, že v oblasti energetiky sme ich ďaleko predbehli a tieto technológie musíme prevziať od nás. Napríklad náš motor RD-170 na jedno naštartovanie vďaka vyššiemu špecifickému impulzu dokázal vyniesť o dve tony viac ako ich najvýkonnejší F-1, čo v tom čase znamenalo zisk 20 miliónov dolárov. Vyhlásili súťaž na 400-tonový motor pre svoje Atlasy, ktorú vyhral náš RD-180. Potom si Američania mysleli, že s nami začnú spolupracovať a o štyri roky zoberú naše technológie a sami ich rozmnožia. Hneď som im povedal: miniete viac ako miliardu dolárov a desať rokov. Prešli štyri roky a oni hovoria: áno, treba šesť rokov. Prešlo viac rokov, hovoria: nie, potrebujeme ďalších osem rokov. Prešlo sedemnásť rokov a nereprodukovali ani jeden motor. Len na vybavenie lavice teraz potrebujú miliardy dolárov. V Energomaši máme stánky, kde je možné testovať rovnaký motor RD-170 v tlakovej komore, ktorej prúdový výkon dosahuje 27 miliónov kilowattov.

- Počul som dobre - 27 gigawattov? To je viac ako inštalovaný výkon všetkých jadrových elektrární Rosatom.

- Dvadsaťsedem gigawattov je výkon prúdnice, ktorá sa vyvinie v relatívne krátkom čase. Počas testov na stojane sa energia prúdu najskôr uhasí v špeciálnom bazéne, potom v rozptylovom potrubí s priemerom 16 metrov a výškou 100 metrov. Vybudovanie takého testovacieho zariadenia, v ktorom je možné umiestniť motor, ktorý generuje taký výkon, si vyžaduje veľa peňazí. Američania od toho teraz upustili a berú hotový produkt. Tým pádom nepredávame suroviny, ale produkt s obrovskou pridanou hodnotou, do ktorého je investovaná vysoko intelektuálna práca. Bohužiaľ, v Rusku je to zriedkavý príklad predaja špičkových technológií v zahraničí v takom veľkom objeme. Ale to dokazuje, že pri správnej formulácii otázky dokážeme veľa.

- Boris Ivanovič, čo treba urobiť, aby sme nestratili náskok, ktorý získala stavba sovietskeho raketového motora? Zrejme okrem nedostatku financií na VaV je veľmi bolestivý aj ďalší problém - personálny?

- Aby ste zostali na svetovom trhu, musíte ísť stále dopredu, vytvárať nové produkty. Očividne, kým sa nám nestlačil koniec a neudrel hrom. Štát si ale musí uvedomiť, že bez nového vývoja sa ocitne na okraji svetového trhu a dnes, v tomto prechodnom období, keď sme ešte nedorástli k normálnemu kapitalizmu, musí v prvom rade investovať do nového - štát. Potom môžete vývoj na vydanie série previesť na súkromnú spoločnosť za podmienok výhodných pre štát aj podniky. Nemyslím si, že je nemožné vymyslieť rozumné metódy, ako niečo nové vytvoriť, bez nich je zbytočné hovoriť o vývoji a inováciách.

Je tam personál. Som vedúcim oddelenia v Moskovskom leteckom inštitúte, kde školíme motorových aj laserových špecialistov. Chalani sú šikovní, chcú robiť biznis, ktorý sa učia, no treba im dať normálny prvotný impulz, aby neodišli, ako teraz veľa ľudí, písať programy na rozvoz tovaru do obchodov. Na to je potrebné vytvoriť vhodné laboratórne prostredie, dať slušný plat. Vybudovať správnu štruktúru interakcie medzi vedou a ministerstvom školstva. Tá istá akadémia vied rieši mnohé otázky súvisiace so vzdelávaním personálu. Medzi súčasnými členmi akadémie, korešpondentmi, je skutočne veľa špecialistov, ktorí riadia high-tech podniky a výskumné ústavy, výkonné dizajnérske kancelárie. Majú priamy záujem na tom, aby si odbory pridelené ich organizáciám vychovali potrebných odborníkov v oblasti techniky, fyziky, chémie tak, aby okamžite získali nielen špecializovaného absolventa vysokej školy, ale hotového odborníka s určitým životom a vedeckými a technické skúsenosti. Vždy to tak bolo: najlepší odborníci sa rodili v ústavoch a podnikoch, kde existovali vzdelávacie oddelenia. V Energomaši a NPO Lavočkin máme oddelenia pobočky Moskovského leteckého inštitútu „Kometa“, ktorý mám na starosti. Sú tu staré kádre, ktoré dokážu odovzdať skúsenosti mladým. Zostáva však veľmi málo času a straty budú nenahraditeľné: aby ste sa jednoducho vrátili na súčasnú úroveň, budete musieť vynaložiť oveľa viac úsilia, ako je dnes potrebné na jej udržanie.