Защо американците не могат да правят космически двигатели?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Създателят на най-добрите в света ракетни двигатели с течно гориво акад. Борис Каторгин обяснява защо американците все още не могат да повторят нашите постижения в тази област и как да запазим съветската преднина в бъдеще.

На 21 юни на Икономическия форум в Санкт Петербург бяха наградени носителите на наградата Global Energy Prize. Авторитетна комисия от експерти в индустрията от различни страни избра три кандидатури от 639 подадени и посочи носителите на наградата за 2012 г., която обикновено се нарича „Нобелова награда за енергийни инженери“. В резултат на това 33 милиона рубли премия тази година поделиха известният изобретател от Великобритания професор Родни Джон Алам и двама от нашите изключителни учени - академиците на Руската академия на науките Борис Каторгин и Валерий Костюк.

И трите са свързани със създаването на криогенна технология, изследването на свойствата на криогенните продукти и приложението им в различни електроцентрали. Академик Борис Каторгин бе отличен „за разработката на високоефективни ракетни двигатели с течно гориво на криогенни горива, които осигуряват надеждна работа на космически системи с високи енергийни параметри за мирно използване на космоса“. С прякото участие на Каторгин, който посвети повече от петдесет години на предприятието ОКБ-456, сега известно като НПО Енергомаш, бяха създадени ракетни двигатели с течно гориво (LRE), чиято производителност все още се счита за най-добрата в света. Самият Каторгин се занимава с разработването на схеми за организиране на работния процес в двигателите, смесообразуването на горивните компоненти и премахването на пулсацията в горивната камера. Известни са и фундаменталните му разработки върху ядрени ракетни двигатели (ЯРД) с висок специфичен импулс и разработки в областта на създаването на мощни непрекъснати химически лазери.

В най-трудните времена за руските наукоемки организации, от 1991 до 2009 г., Борис Каторгин оглавява НПО Енергомаш, съчетавайки позициите на генерален директор и генерален проектант, и успя не само да запази компанията, но и да създаде редица нови двигатели. Липсата на вътрешна поръчка за двигатели принуди Каторгин да търси клиент на външния пазар. Един от новите двигатели беше РД-180, разработен през 1995 г. специално за участие в търг, организиран от американската корпорация Lockheed Martin, която избра ракетен двигател с течно гориво за модернизираната по това време ракета-носител Atlas. В резултат на това НПО Енергомаш подписа споразумение за доставка на 101 двигателя и до началото на 2012 г. вече достави над 60 ракетни двигателя на САЩ, 35 от които бяха успешно експлоатирани на Atlas при изстрелване на спътници за различни цели.

Преди връчването на наградата експертът разговаря с академик Борис Каторгин за състоянието и перспективите на развитието на ракетни двигатели с течно гориво и разбра защо двигателите, базирани на разработки отпреди четиридесет години, все още се считат за иновативни, а RD-180 не може да бъде пресъздадена в американски фабрики.

- Борис Иванович, каква точно е вашата заслуга в създаването на домашни реактивни двигатели с течно гориво, които днес се считат за най-добрите в света?

- За да обясните това на лаик, вероятно имате нужда от специално умение. За ракетни двигатели с течно гориво разработих горивни камери, газогенератори; като цяло той ръководи създаването на самите двигатели за мирно изследване на космоса. (В горивните камери горивото и окислителя се смесват и изгарят и се образува обем горещи газове, които след това изхвърляни през дюзите създават действителната тяга на струята; газовите генератори също изгарят горивната смес, но вече за работа на турбо помпи, които изпомпват гориво и окислител под огромно налягане в една и съща горивна камера. - "Експерт".)

- Говорите за мирно изследване на космоса, въпреки че е очевидно, че всички двигатели с тяга от няколко десетки до 800 тона, създадени в НПО Енергомаш, са били предназначени предимно за военни нужди.

- Не се наложи да хвърлим нито една атомна бомба, не доставихме нито един ядрен заряд на нашите ракети до целта и слава Богу. Всички военни разработки преминаха в мирно пространство. Можем да се гордеем с огромния принос на нашите ракетни и космически технологии за развитието на човешката цивилизация. Благодарение на астронавтиката се раждат цели технологични клъстери: космическа навигация, телекомуникации, сателитна телевизия и сензорни системи.

- Двигателят за междуконтиненталната балистична ракета R-9, върху който работихте, тогава беше в основата на почти цялата ни пилотирана програма.

- Още в края на 50-те години извърших изчислителна и експериментална работа за подобряване на смесообразуването в горивните камери на двигателя РД-111, който беше предназначен точно за тази ракета. Резултатите от работата все още се използват в модифицираните двигатели RD-107 и RD-108 за същата ракета "Союз", на тях са извършени около две хиляди космически полета, включително всички пилотирани програми.

- Преди две години интервюирах вашия колега, лауреат на Global Energy академик Александър Леонтиев. В разговор за затворени за широката публика специалисти, какъвто някога беше самият Леонтиев, той спомена Виталий Иевлев, който също направи много за нашата космическа индустрия.

- Много академици, които са работили за отбранителната индустрия, бяха класифицирани - това е факт. Сега много са разсекретени - това също е факт. Познавам много добре Александър Иванович: той работи върху създаването на изчислителни методи и методи за охлаждане на горивните камери на различни ракетни двигатели. Решаването на този технологичен проблем не беше лесно, особено когато започнахме да изцеждаме максимално химическата енергия на горивната смес, за да получим максималния специфичен импулс, увеличавайки, наред с други мерки, налягането в горивните камери до 250 атмосфери. Да вземем нашия най-мощен двигател - РД-170. Разход на гориво с окислител - керосин с течен кислород, преминаващ през двигателя - 2,5 тона в секунда. Топлинните потоци в него достигат 50 мегавата на квадратен метър - това е огромна енергия. Температурата в горивната камера е 3, 5 хиляди градуса по Целзий. Беше необходимо да се измисли специално охлаждане за горивната камера, така че да може да работи изчислено и да издържа на термичната глава. Александър Иванович направи точно това и трябва да кажа, че свърши отлична работа. Виталий Михайлович Иевлев - член-кореспондент на Руската академия на науките, доктор на техническите науки, професор, който, за съжаление, почина доста рано, - беше учен от най-широк профил, притежаваше енциклопедична ерудиция. Подобно на Леонтиев, той работи много върху методологията за изчисляване на топлинни конструкции с високо напрежение. Тяхната работа някъде се пресича, някъде те бяха интегрирани и в резултат на това беше получен отличен метод, чрез който е възможно да се изчисли топлинният интензитет на всякакви горивни камери; сега, може би, използвайки го, всеки ученик може да го направи. Освен това Виталий Михайлович взе активно участие в разработването на ядрени, плазмени ракетни двигатели. Тук интересите ни се пресекоха в годините, когато Енергомаш правеше същото.

- В разговора ни с Леонтиев засегнахме продажбата на двигателите RD-180 energomash в САЩ и Александър Иванович каза, че в много отношения този двигател е резултат от разработките, направени точно по време на създаването на RD-170, и в известен смисъл е наполовина. Това наистина ли е резултат от обратното мащабиране?

- Всеки двигател в ново измерение, разбира се, е нов апарат. РД-180 с тяга 400 тона всъщност е наполовина по-малък от РД-170 с тяга 800 тона. РД-191, проектиран за новата ни ракета "Ангара", има тяга от 200 тона. Какво общо имат тези двигатели? Всички те имат по една турбо помпа, но RD-170 има четири горивни камери, "американският" RD-180 има две, а RD-191 има една. Всеки двигател се нуждае от собствен турбо помпен агрегат - в края на краищата, ако четирикамерният RD-170 консумира около 2,5 тона гориво в секунда, за което е разработена турбо помпа с мощност 180 хиляди киловата, което е повече от два пъти по-висока от, например, мощността на реактора на атомния ледоразбивач "Арктика", след това на двукамерния RD-180 - само наполовина, 1, 2 тона. При разработването на турбо помпи за RD-180 и RD-191 участвах пряко и в същото време ръководех създаването на тези двигатели като цяло.

- Значи горивната камера е една и съща на всички тези двигатели, само броят им е различен?

- Да, и това е основното ни постижение. В една такава камера с диаметър само 380 милиметра се изгарят малко повече от 0,6 тона гориво в секунда. Без преувеличение, тази камера е уникално оборудване с висок топлинен стрес със специални колани за защита от мощни топлинни потоци. Защитата се осъществява не само поради външно охлаждане на стените на камерата, но и благодарение на гениален метод за "облицоване" на горивен филм върху тях, който се изпарява и охлажда стената. На базата на тази изключителна камера, която няма равна в света, ние произвеждаме нашите най-добри двигатели: РД-170 и РД-171 за Енергия и Зенит, РД-180 за американския Атлас и РД-191 за новата руска ракета "Ангара".

- "Ангара" трябваше да замени "Протон-М" преди няколко години, но създателите на ракетата се сблъскаха със сериозни проблеми, първите полетни изпитания бяха многократно отлагани и проектът изглежда продължава да се забива.

- Наистина имаше проблеми. Сега е взето решение ракетата да бъде изстреляна през 2013 г. Особеността на "Ангара" е, че на базата на нейните универсални ракетни модули е възможно да се създаде цяло семейство ракети-носители с товароносимост от 2,5 до 25 тона за извеждане на товари в ниска земна орбита на базата на РД-191 универсален кислородно-керосинов двигател. "Ангара-1" има един двигател, "Ангара-3" - три с обща тяга 600 тона, "Ангара-5" ще има 1000 тона тяга, тоест ще може да извежда повече товари в орбита от "Протон". Освен това вместо много токсичния хептил, който се изгаря в двигателите на Proton, ние използваме екологично гориво, след което остават само вода и въглероден диоксид.

- Как се случи така, че същият РД-170, който беше създаден още в средата на 70-те години, всъщност все още остава иновативен продукт и неговите технологии се използват като основа за нови ракетни двигатели?

- Подобна история се случи и със самолет, създаден след Втората световна война от Владимир Михайлович Мясищев (далечен стратегически бомбардировач от серия М, разработен от московското ОКБ-23 от 50-те години на миналия век - "Експерт"). В много отношения самолетът изпреварва времето си с тридесет години и елементите на неговия дизайн след това са заимствани от други производители на самолети. Така е и тук: в RD-170 има много нови елементи, материали, дизайнерски решения. По мои преценки те няма да остареят още няколко десетилетия. Това се дължи преди всичко на основателя на НПО Енергомаш и неговия генерален проектант Валентин Петрович Глушко и члена-кореспондент на Руската академия на науките Виталий Петрович Радовски, който оглавява компанията след смъртта на Глушко. (Обърнете внимание, че най-добрите в света енергийни и експлоатационни характеристики на RD-170 до голяма степен се дължат на решението на Каторгин на проблема за потискане на високочестотната нестабилност на горене чрез разработване на антипулсационни прегради в една и съща горивна камера. - "Експерт".) И първият -степенен двигател РД-253 за ракета носител "Протон"? Въведен през далечната 1965 г., той е толкова съвършен, че все още не е надминат от никого. Така Глушко учи да проектира – на границата на възможното и винаги над средното за света. Важно е да запомним и друго: страната е инвестирала в своето технологично бъдеще. Как беше в Съветския съюз? Министерството на общото машиностроене, което по-специално отговаряше за космоса и ракетите, изразходва 22 процента от огромния си бюджет само за научноизследователска и развойна дейност - във всички области, включително задвижването. Днес финансирането за научни изследвания е много по-малко и това говори много.

- Постигането на някакви съвършени качества от тези ракетни двигатели, а това се случи преди половин век, не е ли в известен смисъл остаряло ракетен двигател с химически енергиен източник: основните открития са направени в новите поколения ракетни двигатели, сега говорим повече за така наречените поддържащи иновации?

- Със сигурност не. Ракетните двигатели с течно гориво са търсени и ще бъдат търсени много дълго време, тъй като никоя друга технология не е в състояние да вдигне по-надеждно и икономично товар от Земята и да го изведе в ниска орбита на Земята. Те са екологични, особено тези, които работят с течен кислород и керосин. Но за полети до звезди и други галактики, ракетните двигатели с течно гориво, разбира се, са напълно неподходящи. Масата на цялата метагалактика е от 10 до 56 градуса грама. За да се ускори на двигател с течно гориво до поне една четвърт от скоростта на светлината, е необходимо абсолютно невероятно количество гориво - от 10 до 3200 грама, така че дори да се мисли за това е глупаво. Ракетният двигател с течно гориво има своя собствена ниша - маршеви двигатели. На течни двигатели можете да ускорите носителя до втората космическа скорост, да летите до Марс и това е всичко.

- Следващият етап - ядрени ракетни двигатели?

- Разбира се. Не се знае дали ще доживеем до някои от етапите, но още по съветско време е направено много за разработването на ракетни двигатели с ядрен двигател. Сега под ръководството на Центъра Келдиш, ръководен от акад. Анатолий Сазонович Коротеев, се разработва така нареченият транспортен и енергиен модул. Дизайнерите стигнаха до заключението, че е възможно да се създаде ядрен реактор с газово охлаждане, който е по-малко стресов, отколкото беше в СССР, който ще работи както като електроцентрала, така и като източник на енергия за плазмените двигатели при пътуване в космоса. Такъв реактор сега се проектира в НИКИЕТ на името на Н. А. Доллежал под ръководството на член-кореспондент на Руската академия на науките Юрий Драгунов. В проекта участва и калининградското конструкторско бюро "Факел", където се създават електрически задвижващи двигатели. Както в съветско време, няма да мине без Воронежското конструкторско бюро по химическа автоматика, където ще се произвеждат газови турбини и компресори, за да задвижват охлаждаща течност - газова смес в затворен цикъл.

- Междувременно отиваме ли към ракетния двигател?

- Разбира се, и ние ясно виждаме перспективите за по-нататъшното развитие на тези двигатели. Има тактически, дългосрочни задачи, тук няма ограничение: въвеждане на нови, по-топлоустойчиви покрития, нови композитни материали, намаляване на масата на двигателите, повишаване на тяхната надеждност и опростяване на управлението схема. Могат да бъдат въведени редица елементи за по-добър контрол на износването на частите и други процеси, протичащи в двигателя. Има стратегически задачи: например разработване на втечнен метан и ацетилен като гориво заедно с амоняк или трикомпонентно гориво. НПО Енергомаш разработва трикомпонентен двигател. Такъв ракетен двигател с течно гориво може да се използва като двигател както за първи, така и за втори етап. На първия етап той използва добре развити компоненти: кислород, течен керосин и ако добавите около пет процента повече водород, тогава специфичният импулс ще се увеличи значително - една от основните енергийни характеристики на двигателя, което означава, че повече полезен товар могат да бъдат изпратени в космоса. На първия етап целият керосин се произвежда с добавяне на водород, а на втория същият двигател преминава от работа на трикомпонентно гориво към двукомпонентно - водород и кислород.

Вече създадохме експериментален двигател, макар и с малък размер и тяга от само около 7 тона, проведохме 44 теста, направихме пълномащабни смесителни елементи в дюзите, в газогенератора, в горивната камера и установихме, че можете първо да работите върху три компонента и след това плавно да преминете към два. Всичко се получава, постига се висока ефективност на горене, но за да отидем по-далеч, имаме нужда от по-голяма проба, трябва да модифицираме стойките, за да пуснем компонентите, които ще използваме в истински двигател в горивната камера: течен водород и кислород, както и керосин. Мисля, че това е много обещаваща посока и голяма крачка напред. И се надявам да имам време да направя нещо през живота си.

- Защо американците, след като са получили правото да възпроизвеждат РД-180, не могат да го направят дълги години?

- Американците са много прагматични. През 90-те години на миналия век, в самото начало на работата си с нас, те разбраха, че в енергетиката сме много по-напред от тях и трябва да приемем тези технологии от нас. Например, нашият двигател RD-170 с едно стартиране, поради по-висок специфичен импулс, можеше да изведе полезен товар с два тона повече от най-мощния им F-1, което по това време означаваше печалба от 20 милиона долара. Те обявиха конкурс за 400-тонен двигател за техните атласи, който беше спечелен от нашия РД-180. Тогава американците мислеха, че ще започнат да работят с нас и след четири години ще вземат нашите технологии и сами ще ги възпроизвеждат. Веднага им казах: ще похарчите повече от милиард долара и десет години. Минаха четири години, а те казват: да, нужни са шест години. Минаха още години, казват: не, трябват ни още осем години. Изминаха седемнадесет години, а те не са възпроизвели нито един двигател. Сега те се нуждаят от милиарди долари само за настолно оборудване. В Енергомаш имаме щандове, на които може да се тества същият двигател РД-170 в барокамера, чиято мощност на струята достига 27 милиона киловата.

- Правилно чух - 27 гигавата? Това е повече от инсталираната мощност на всички АЕЦ на Росатом.

- Двадесет и седем гигавата е мощността на струята, която се развива за относително кратко време. По време на тестовете на стенда енергията на струята първо се гаси в специален басейн, след това в дисперсионна тръба с диаметър 16 метра и височина 100 метра. Необходими са много пари, за да се построи стенд за изпитване като този, който може да побере двигател, който генерира такава мощност. Сега американците са се отказали от това и поемат готовия продукт. В резултат на това ние не продаваме суровини, а продукт с огромна добавена стойност, в който е вложен високо интелектуален труд. За съжаление в Русия това е рядък пример за високотехнологични продажби в чужбина в толкова голям обем. Но това доказва, че с правилното формулиране на въпроса сме способни на много.

- Борис Иванович, какво трябва да се направи, за да не се загуби предимството, придобито от съветската ракетна двигатели? Вероятно освен липсата на финансиране за НИРД, много болезнен е и друг проблем – кадри?

- За да останеш на световния пазар, трябва непрекъснато да вървиш напред, да създаваш нови продукти. Явно до края ни беше притиснат и гръмът удари. Но държавата трябва да осъзнае, че без нови разработки ще се окаже в периферията на световния пазар и днес, в този преходен период, докато все още не сме дорасли до нормален капитализъм, трябва преди всичко да инвестира в новия - държавата. След това можете да прехвърлите разработката за издаване на серия на частна компания при условия, изгодни както за държавата, така и за бизнеса. Не вярвам, че е невъзможно да се измислят разумни методи за създаване на нещо ново, без тях е безполезно да се говори за развитие и иновации.

Има персонал. Ръководител съм на отдел в Московския авиационен институт, където обучаваме както специалисти по двигатели, така и специалисти по лазер. Момчетата са умни, искат да правят бизнеса, който учат, но трябва да им дадете нормален първоначален импулс, за да не напуснат, както правят много хора сега, да пишат програми за разпространение на стоки в магазините. За това е необходимо да се създаде подходяща лабораторна среда, да се даде достойна заплата. Изградете правилната структура на взаимодействие между науката и Министерството на образованието. Същата Академия на науките решава много въпроси, свързани с обучението на персонала. Всъщност сред настоящите членове на академията, членове-кореспонденти, има много специалисти, които управляват високотехнологични предприятия и изследователски институти, мощни конструкторски бюра. Те се интересуват пряко от катедрите, определени към техните организации, за да обучават необходимите специалисти в областта на технологиите, физиката, химията, така че веднага да получат не просто завършил специализиран университет, а готов специалист с известен живот и научни и технически опит. Винаги е било така: най-добрите специалисти са се раждали в институти и предприятия, където са съществували образователни отдели. В Енергомаш и в НПО Лавочкин имаме отдели на филиала на Московския авиационен институт „Комета”, който ръководя. Има стари кадри, които могат да предадат опита на младите. Но остава много малко време и загубите ще бъдат невъзстановими: за да се върнете просто към сегашното ниво, ще трябва да похарчите много повече усилия, отколкото е необходимо днес, за да го поддържате.