Zakaj Američani ne morejo izdelati vesoljskih motorjev?

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Ustvarjalec najboljših raketnih motorjev na tekoče gorivo na svetu akademik Boris Katorgin pojasnjuje, zakaj Američani še vedno ne morejo ponoviti naših dosežkov na tem področju in kako ohraniti sovjetsko prednost tudi v prihodnje.

21. junija so na gospodarskem forumu v Sankt Peterburgu podelili nagrajence Global Energy Prize. Pristojna komisija industrijskih strokovnjakov iz različnih držav je od 639 prijavljenih izbrala tri vloge in imenovala dobitnike nagrade za leto 2012, ki se običajno imenuje "Nobelova nagrada za elektroenergetike". Kot rezultat, so si letos 33 milijonov premium rubljev razdelili slavni izumitelj iz Velike Britanije, profesor Rodney John Allam, in dva naša izjemna znanstvenika - akademika Ruske akademije znanosti Boris Katorgin in Valery Kostyuk.

Vse tri so povezane z ustvarjanjem kriogene tehnologije, preučevanjem lastnosti kriogenih produktov in njihovo uporabo v različnih elektrarnah. Akademik Boris Katorgin je bil nagrajen "za razvoj visoko učinkovitih raketnih motorjev na tekoče gorivo na kriogena goriva, ki zagotavljajo zanesljivo delovanje vesoljskih sistemov z visokimi energijskimi parametri za miroljubno rabo vesolja." Z neposrednim sodelovanjem Katorgina, ki je več kot petdeset let posvetil podjetju OKB-456, zdaj znanem kot NPO Energomash, so bili ustvarjeni raketni motorji na tekoče gorivo (LRE), katerih zmogljivost še vedno velja za najboljše na svetu. Katorgin se je sam ukvarjal z razvojem shem za organizacijo delovnega procesa v motorjih, tvorbo mešanice komponent goriva in odpravo pulziranja v zgorevalni komori. Znano je tudi njegovo temeljno delo o jedrskih raketnih motorjih (NRE) z visokim specifičnim impulzom in razvoj na področju ustvarjanja močnih kontinuiranih kemičnih laserjev.

V najtežjih časih za ruske znanstveno intenzivnih organizacij, od leta 1991 do 2009, je Boris Katorgin vodil NPO Energomash, ki je združeval položaje generalnega direktorja in generalnega projektanta, uspel pa mu je ne le obdržati podjetje, temveč tudi ustvariti številne nove motorji. Odsotnost notranjega naročila za motorje je Katorgin prisilila, da je poiskal kupca na zunanjem trgu. Eden od novih motorjev je bil RD-180, ki so ga leta 1995 razvili posebej za sodelovanje na razpisu, ki ga je organizirala ameriška korporacija Lockheed Martin, ki je izbrala raketni motor na tekoče gorivo za takrat nadgrajeno nosilno raketo Atlas. Posledično je NPO Energomash podpisal pogodbo o dobavi 101 motorja in do začetka leta 2012 v ZDA dobavil že več kot 60 raketnih motorjev, od tega jih je 35 uspešno delovalo na Atlasu pri izstrelitvi satelitov za različne namene..

Strokovnjak se je pred podelitvijo nagrade z akademikom Borisom Katorginom pogovarjal o stanju in možnostih razvoja raketnih motorjev na tekoče gorivo in ugotovil, zakaj motorji, ki temeljijo na razvoju izpred štiridesetih let, še vedno veljajo za inovativne, RD-180 pa ni bilo mogoče poustvariti v ameriških tovarnah.

- Boris Ivanovič, kaj točno je vaša zasluga pri ustvarjanju domačih reaktivnih motorjev na tekoče gorivo, ki zdaj veljajo za najboljše na svetu?

- Če želite to razložiti laiku, verjetno potrebujete posebno spretnost. Za raketne motorje na tekoče gorivo sem razvil zgorevalne komore, plinske generatorje; na splošno je nadzoroval izdelavo samih motorjev za mirno raziskovanje vesolja. (V zgorevalnih komorah se gorivo in oksidant mešata in zgorevata, pri čemer nastane prostornina vročih plinov, ki nato izvrženi skozi šobe ustvarijo dejanski potisk curka; plinski generatorji zgorevajo tudi mešanico goriva, vendar že za delovanje turbo črpalk, ki črpajo gorivo in oksidant pod ogromnim pritiskom v isto zgorevalno komoro. - "Strokovnjak".)

- Govorite o mirnem raziskovanju vesolja, čeprav je očitno, da so bili vsi motorji s potiskom od nekaj deset do 800 ton, ki so bili ustvarjeni v NPO Energomash, namenjeni predvsem vojaškim potrebam.

- Ni nam bilo treba vreči niti ene atomske bombe, nismo dostavili niti enega jedrskega naboja na naših raketah do cilja in hvala bogu. Ves vojaški razvoj je šel v miren prostor. Ponosni smo lahko na ogromen prispevek naše raketne in vesoljske tehnologije k razvoju človeške civilizacije. Zahvaljujoč astronavtiki so se rodili celotni tehnološki grozdi: vesoljska navigacija, telekomunikacije, satelitska televizija in zaznavni sistemi.

- Motor za medcelinsko balistično raketo R-9, na kateri ste delali, je bil takrat osnova skoraj vsega našega programa s posadko.

- Že v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja sem opravil računalniško in eksperimentalno delo za izboljšanje tvorbe mešanice v zgorevalnih komorah motorja RD-111, ki je bil namenjen prav tej raketi. Rezultati dela se še vedno uporabljajo v modificiranih motorjih RD-107 in RD-108 za isto raketo Sojuz, na njih je bilo opravljenih približno dva tisoč vesoljskih poletov, vključno z vsemi programi s posadko.

- Pred dvema letoma sem intervjuval vašega kolega, nagrajenca za globalno energijo, akademika Aleksandra Leontjeva. V pogovoru o specialistih, zaprtih za širšo javnost, kar je nekoč bil tudi sam Leontjev, je omenil Vitalija Jevleva, ki je veliko naredil tudi za našo vesoljsko industrijo.

- Številni akademiki, ki so delali za obrambno industrijo, so bili razvrščeni - to je dejstvo. Zdaj je bilo veliko razkritih - tudi to je dejstvo. Aleksandra Ivanoviča zelo dobro poznam: delal je pri ustvarjanju računskih metod in metod za hlajenje zgorevalnih komor različnih raketnih motorjev. Reševanje tega tehnološkega problema ni bilo enostavno, še posebej, ko smo začeli čim bolj iztiskati kemično energijo mešanice goriva, da bi dobili največji specifični impulz, med drugim pa smo povečali tlak v zgorevalnih komorah na 250 atmosfer. Vzemimo naš najmočnejši motor - RD-170. Poraba goriva z oksidantom - kerozinom s tekočim kisikom, ki gre skozi motor - 2,5 tone na sekundo. Toplotni tokovi v njem dosežejo 50 megavatov na kvadratni meter - to je ogromna energija. Temperatura v zgorevalni komori je 3, 5 tisoč stopinj Celzija. Za zgorevalno komoro je bilo treba pripraviti posebno hlajenje, da je lahko delovala preračunano in vzdržala toplotno glavo. Aleksander Ivanovič je naredil prav to in moram reči, da je opravil odlično delo. Vitalij Mihajlovič Ievlev - dopisni član Ruske akademije znanosti, doktor tehničnih znanosti, profesor, ki je na žalost umrl precej zgodaj, - je bil znanstvenik najširšega profila, imel je enciklopedično erudicijo. Tako kot Leontiev je veliko delal na metodologiji za izračun visokonapetostnih toplotnih struktur. Njuno delo se je nekje križalo, nekje se integriralo in posledično je nastala odlična metoda, s katero je mogoče izračunati toplotno intenzivnost vseh zgorevalnih komor; zdaj, morda, lahko to stori vsak študent. Poleg tega je Vitalij Mihajlovič aktivno sodeloval pri razvoju jedrskih, plazemskih raketnih motorjev. Tu so se naši interesi križali v letih, ko je enako počel Energomash.

- V pogovoru z Leontjevom smo se dotaknili prodaje motorjev RD-180 energomash v ZDA, Aleksander Ivanovič pa je dejal, da je ta motor v mnogih pogledih rezultat razvoja, ki je nastal ravno med ustvarjanjem RD-170., in v nekem smislu pol. Je to res posledica zaostanka?

- Vsak motor v novi dimenziji je seveda nov aparat. RD-180 s potiskom 400 ton je pravzaprav za polovico manjši od RD-170 s potiskom 800 ton. RD-191, zasnovan za našo novo raketo Angara, ima potisk 200 ton. Kaj imajo ti motorji skupnega? Vsi imajo eno turbo črpalko, vendar ima RD-170 štiri zgorevalne komore, "ameriški" RD-180 ima dve, RD-191 pa eno. Vsak motor potrebuje svojo turbo črpalko - navsezadnje, če štirikomorni RD-170 porabi približno 2,5 tone goriva na sekundo, za katero je bila razvita turbo črpalka z zmogljivostjo 180 tisoč kilovatov, kar je več kot dvakrat višja od, na primer, moči reaktorja atomskega ledolomila "Arktika", nato dvokomornega RD-180 - le polovica, 1, 2 tone. Pri razvoju turbo črpalk za RD-180 in RD-191 sem neposredno sodeloval in hkrati vodil ustvarjanje teh motorjev kot celote.

- Torej je zgorevalna komora pri vseh teh motorjih enaka, le njihovo število je drugačno?

- Da, in to je naš glavni dosežek. V eni takšni komori s premerom le 380 milimetrov se zgori nekaj več kot 0,6 tone goriva na sekundo. Brez pretiravanja je ta fotoaparat edinstvena oprema z visokimi toplotnimi obremenitvami s posebnimi pasovi za zaščito pred močnimi toplotnimi tokovi. Zaščita se ne izvaja le zaradi zunanjega hlajenja sten komore, temveč tudi zaradi domiselne metode "oblaganja" gorivnega filma na njih, ki izhlapi in ohladi steno. Na podlagi te izjemne kamere, ki ji ni para na svetu, izdelujemo naše najboljše motorje: RD-170 in RD-171 za Energio in Zenit, RD-180 za ameriški Atlas in RD-191 za novo rusko raketo "Angara".

- "Angara" naj bi zamenjala "Proton-M" pred nekaj leti, a so se ustvarjalci rakete soočili z resnimi težavami, prvi testi letenja so bili večkrat prestavljeni, projekt pa se zdi, da še naprej zastaja.

- Res so bile težave. Zdaj je bila sprejeta odločitev za izstrelitev rakete leta 2013. Posebnost Angare je, da je na podlagi njenih univerzalnih raketnih modulov mogoče ustvariti celo družino nosilnih raket od 2,5 do 25 ton za izstrelitev tovora v nizko zemeljsko orbito na podlagi RD-191 univerzalni kisik-kerozinski motor. Angara-1 ima en motor, Angara-3 - tri s skupnim potiskom 600 ton, Angara-5 bo imel 1000 ton potiska, torej bo lahko v orbito spravil več tovora kot Proton. Poleg tega namesto zelo strupenega heptila, ki se izgoreva v motorjih Proton, uporabljamo okolju prijazno gorivo, po katerem ostaneta le voda in ogljikov dioksid.

- Kako se je zgodilo, da isti RD-170, ki je bil ustvarjen sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja, pravzaprav še vedno ostaja inovativen izdelek, njegove tehnologije pa se uporabljajo kot osnova za nove raketne motorje?

- Podobna zgodba se je zgodila z letalom, ki ga je po drugi svetovni vojni ustvaril Vladimir Mihajlovič Myasishchev (strateški bombnik velikega dosega serije M, ki ga je razvil moskovski OKB-23 iz 50. let prejšnjega stoletja - "Expert"). Letalo je bilo v marsičem trideset let pred svojim časom, elemente njegove zasnove pa so si nato sposodili drugi proizvajalci letal. Tako je tukaj: v RD-170 je veliko novih elementov, materialov, oblikovalskih rešitev. Po mojih ocenah ne bodo zastarele še nekaj desetletij. To je predvsem zasluga ustanovitelja NPO Energomash in njegovega generalnega projektanta Valentina Petroviča Gluška in dopisnega člana Ruske akademije znanosti Vitalija Petroviča Radovskega, ki je vodil podjetje po Gluškovi smrti. (Upoštevajte, da so najboljše energetske in operativne značilnosti RD-170 v veliki meri posledica Katorginove rešitve problema zatiranja visokofrekvenčne nestabilnosti zgorevanja z razvojem antipulzacijskih pregrad v isti zgorevalni komori. - "Strokovnjak".) In prvi -stopenjski motor RD-253 za nosilno raketo "Proton"? Predstavljen davnega leta 1965, je tako popoln, da ga še nihče ni presegel. Tako je Glushko učil oblikovanja - na meji možnega in vedno nad svetovnim povprečjem. Pomembno si je zapomniti še nekaj: država je vlagala v svojo tehnološko prihodnost. Kako je bilo v Sovjetski zvezi? Ministrstvo za splošno strojegradnjo, ki je bilo zadolženo predvsem za vesolje in rakete, je 22 odstotkov svojega ogromnega proračuna porabilo samo za raziskave in razvoj – na vseh področjih, vključno s pogonom. Danes je financiranja raziskav veliko manj in to veliko pove.

- Ali ni doseganje nekaterih popolnih lastnosti teh raketnih motorjev, in to se je zgodilo pred pol stoletja, da je raketni motor s kemičnim virom energije v nekem smislu zastarel: glavna odkritja so bila narejena v novih generacijah raketnih motorjev?, zdaj govorimo bolj o tako imenovanih podpornih inovacijah?

- Zagotovo ne. Raketni motorji na tekoča goriva so povpraševani in bodo še zelo dolgo povpraševani, saj nobena druga tehnologija ne more zanesljiveje in ekonomično dvigniti tovora z Zemlje in ga spraviti v nizko zemeljsko orbito. So okolju prijazni, zlasti tisti, ki delujejo na tekoči kisik in kerozin. Toda za lete do zvezd in drugih galaksij so raketni motorji na tekoče gorivo seveda povsem neprimerni. Masa celotne metagalaksije je od 10 do 56 stopinj gramov. Za pospešitev motorja na tekoče gorivo do vsaj četrtine svetlobne hitrosti je potrebna popolnoma neverjetna količina goriva - od 10 do 3200 gramov, zato je tudi razmišljati o tem neumno. Raketni motor na tekoče gorivo ima svojo nišo - nosilne motorje. Na tekočih motorjih lahko pospešite nosilec do druge kozmične hitrosti, poletite na Mars in to je to.

- Naslednja faza - jedrski raketni motorji?

- Seveda. Ni znano, ali bomo nekatere faze dočakali, a že v sovjetskih časih je bilo za razvoj raketnih motorjev na jedrski pogon veliko storjenega. Zdaj se pod vodstvom Keldyshovega centra, ki ga vodi akademik Anatolij Sazonovich Koroteev, razvija tako imenovani transportni in energetski modul. Oblikovalci so prišli do zaključka, da je mogoče ustvariti plinsko hlajen jedrski reaktor, ki je manj stresen kot v ZSSR, ki bo deloval kot elektrarna in kot vir energije za plazemske motorje med potovanjem v vesolju.. Takšen reaktor zdaj načrtujejo v NIKIET po imenu N. A. Dollezhal pod vodstvom dopisnega člana Ruske akademije znanosti Jurija Dragunova. Pri projektu sodeluje tudi kaliningradski oblikovalski biro "Fakel", kjer nastajajo električni pogonski motorji. Tako kot v sovjetskih časih ne bo šlo brez Voroneškega oblikovalskega biroja za kemično avtomatiko, kjer bodo izdelovali plinske turbine in kompresorje za pogon hladilne tekočine - mešanice plinov v zaprti zanki.

- Medtem gremo do raketnega motorja?

- Seveda in jasno vidimo možnosti za nadaljnji razvoj teh motorjev. Obstajajo taktične, dolgoročne naloge, tukaj ni omejitev: uvedba novih, bolj toplotno odpornih premazov, novih kompozitnih materialov, zmanjšanje mase motorjev, povečanje njihove zanesljivosti in poenostavitev nadzora. shema. Za boljši nadzor obrabe delov in drugih procesov v motorju je mogoče uvesti številne elemente. Obstajajo strateške naloge: na primer razvoj utekočinjenega metana in acetilena kot goriva skupaj z amoniakom ali trikomponentnim gorivom. NPO Energomash razvija trikomponentni motor. Tak raketni motor na tekoče gorivo bi se lahko uporabljal kot motor za prvo in drugo stopnjo. Na prvi stopnji uporablja dobro razvite komponente: kisik, tekoči kerozin in če dodate približno pet odstotkov več vodika, se bo specifični impulz znatno povečal - ena od glavnih energijskih značilnosti motorja, kar pomeni večjo nosilnost. se lahko pošlje v vesolje. Na prvi stopnji se ves kerozin proizvaja z dodatkom vodika, na drugi pa isti motor preklopi iz delovanja na trikomponentno gorivo na dvokomponentno - vodik in kisik.

Ustvarili smo že eksperimentalni motor, čeprav majhne dimenzije in potiska le okoli 7 ton, izvedli 44 testov, izdelali polne mešalne elemente v šobah, v plinskem generatorju, v zgorevalni komori in ugotovili, da najprej lahko delate na treh komponentah, nato pa gladko preklopite na dve. Vse deluje, dosežen je visok izkoristek zgorevanja, a da bi šli dlje, potrebujemo večji vzorec, modificirati moramo stojala, da bomo v zgorevalno komoro izstrelili komponente, ki jih bomo uporabljali v pravem motorju: tekoči vodik in kisik, pa tudi kerozin. Mislim, da je to zelo obetavna smer in velik korak naprej. In upam, da bom v življenju imel čas nekaj narediti.

- Zakaj Američani, ki so prejeli pravico do reprodukcije RD-180, ga že vrsto let niso mogli izdelati?

- Američani so zelo pragmatični. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja, na samem začetku dela z nami, so spoznali, da smo na področju energetike daleč pred njimi in moramo te tehnologije prevzeti od nas. Na primer, naš motor RD-170 bi lahko v enem zagonu zaradi višjega specifičnega impulza prenesel obremenitev za dve toni več kot njihov najmočnejši F-1, kar je takrat pomenilo 20 milijonov dolarjev dobička. Za svoje atlase so objavili natečaj za 400-tonski motor, na katerem je zmagal naš RD-180. Potem so Američani mislili, da bodo začeli sodelovati z nami, čez štiri leta pa bodo vzeli naše tehnologije in jih sami reproducirali. Takoj sem jim rekel: porabili boste več kot milijardo dolarjev in deset let. Štiri leta so minila in pravijo: ja, šest let je potrebnih. Minilo je več let, pravijo: ne, potrebujemo še osem let. Minilo je sedemnajst let in niso reproducirali niti enega motorja. Zdaj potrebujejo milijarde dolarjev samo za opremo na mizi. V Energomašu imamo stojnice, kjer lahko isti motor RD-170 testiramo v tlačni komori, katere moč curka doseže 27 milijonov kilovatov.

- Prav sem slišal - 27 gigavatov? To je več kot instalirana zmogljivost vseh jedrskih elektrarn Rosatom.

- Sedemindvajset gigavatov je moč curka, ki se razvije v relativno kratkem času. Med preizkusi na stojnici se energija curka najprej ugasne v posebnem bazenu, nato v disperzijski cevi premera 16 metrov in višine 100 metrov. Za izgradnjo testne mize, kot je ta, v kateri je lahko nameščen motor, ki ustvarja takšno moč, je potrebno veliko denarja. Američani so zdaj temu obupali in jemljejo končni izdelek. Posledično ne prodajamo surovin, temveč produkt z ogromno dodano vrednostjo, v katerega je vloženo visoko intelektualno delo. Na žalost je v Rusiji to redek primer visokotehnološke prodaje v tujini v tako velikem obsegu. A to dokazuje, da smo s pravilno formulacijo vprašanja sposobni marsikaj.

- Boris Ivanovič, kaj je treba storiti, da ne bi izgubili prednosti, ki jih je pridobila sovjetska zgradba raketnih motorjev? Verjetno je poleg pomanjkanja sredstev za R&R zelo boleča tudi druga težava – kadrovska?

- Če želite ostati na svetovnem trgu, morate ves čas iti naprej, ustvarjati nove izdelke. Očitno, dokler nas ni stisnilo do konca in je zagrmelo. Toda država se mora zavedati, da se bo brez novega razvoja znašla na robu svetovnega trga, in danes, v tem prehodnem obdobju, ko še nismo dorasli normalnemu kapitalizmu, mora najprej vlagati v novo - Država. Nato lahko razvoj za izdajo serije prenesete na zasebno podjetje pod pogoji, ki so koristni tako za državo kot za podjetja. Ne verjamem, da je nemogoče izmisliti razumne metode ustvarjanja nečesa novega, brez njih je neuporabno govoriti o razvoju in inovacijah.

Obstaja osebje. Sem vodja oddelka na Moskovskem letalskem inštitutu, kjer usposabljamo strokovnjake za motorje in laserje. Fantje so pametni, želijo opravljati posel, ki se ga učijo, vendar jim morate dati normalen začetni impulz, da ne odidejo, kot zdaj marsikdo, pisati programe za distribucijo blaga v trgovinah. Za to je treba ustvariti ustrezno laboratorijsko okolje, dati dostojno plačo. Zgradite pravilno strukturo interakcije med znanostjo in Ministrstvom za izobraževanje. Ista akademija znanosti rešuje številna vprašanja, povezana z usposabljanjem osebja. Dejansko je med sedanjimi člani akademije, dopisnimi člani, veliko strokovnjakov, ki upravljajo visokotehnološka podjetja in raziskovalne inštitute, močne oblikovalske biroje. Neposredno jih zanimajo oddelki, ki so dodeljeni njihovim organizacijam za izobraževanje potrebnih strokovnjakov s področja tehnologije, fizike, kemije, tako da takoj prejmejo ne le specializiranega univerzitetnega diplomanta, temveč že pripravljenega specialista z nekaj življenjskega in znanstvenega ter tehnične izkušnje. Vedno je bilo tako: najboljši strokovnjaki so se rodili v inštitutih in podjetjih, kjer so obstajali izobraževalni oddelki. V Energomašu in v NPO Lavochkin imamo oddelke podružnice Moskovskega letalskega inštituta "Kometa", ki ju vodim. Obstajajo stari kadri, ki lahko prenesejo izkušnje na mlade. A časa je ostalo zelo malo in izgube bodo nepopravljive: če se želite preprosto vrniti na trenutno raven, boste morali vložiti veliko več truda, kot je danes potrebno, da jo ohranite.