Miért nem tudnak az amerikaiak űrmotorokat gyártani?

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A világ legjobb folyékony hajtóanyagú rakétahajtóműveinek megalkotója, Borisz Katorgin akadémikus elmagyarázza, hogy az amerikaiak miért nem tudják még mindig megismételni ezen a területen elért eredményeinket, és hogyan őrizhetjük meg a szovjet előnyt a jövőben.

Június 21-én a szentpétervári gazdasági fórumon átadták a Global Energy Prize díjazottjait. Különböző országok iparági szakértőiből álló tekintélyes bizottság a 639 benyújtott pályázat közül háromat választott ki, és megnevezte a 2012-es díj nyerteseit, amelyet általában "Energiamérnökök Nobel-díjának" neveznek. Ennek eredményeként idén 33 millió prémium rubelen osztozott a híres brit feltaláló, Rodney John Allam professzor, valamint két kiváló tudósunk - az Orosz Tudományos Akadémia akadémikusai, Borisz Katorgin és Valerij Kosztjuk.

Mindhárom a kriogén technológia megalkotásához, a kriogén termékek tulajdonságainak vizsgálatához és a különféle erőművekben való alkalmazásához kapcsolódik. Borisz Katorgin akadémikus "nagy hatékonyságú, folyékony hajtóanyagú, kriogén tüzelőanyaggal működő rakétahajtóművek kifejlesztéséért kapta meg, amelyek magas energiaparaméterekkel biztosítják az űrrendszerek megbízható működését a tér békés kihasználása érdekében". Katorgin közvetlen részvételével, aki több mint ötven évet szentelt az OKB-456 vállalkozásnak, amely ma NPO Energomash néven ismert, folyékony hajtóanyagú rakétahajtóműveket (LRE) hoztak létre, amelyek teljesítményét máig a világ legjobbjának tartják. Maga Katorgin foglalkozott a motorok munkafolyamatának megszervezésével, az üzemanyag-komponensek keverékképzésével és az égéstérben a pulzáció kiküszöbölésével. Ismert még a nagy fajlagos impulzusú nukleáris rakétahajtóművekkel (NRE) kapcsolatos alapvető munkája, valamint a nagy teljesítményű folyamatos vegyi lézerek létrehozásának terén elért fejlesztései.

Az orosz tudományintenzív szervezetek számára a legnehezebb időkben, 1991-től 2009-ig Borisz Katorgin vezette az NPO Energomash-t, amely egyesítette a vezérigazgatói és a főtervezői pozíciókat, és nemcsak megtartotta a céget, hanem számos újat is hozott létre. motorok. A motorokra vonatkozó belső megrendelés hiánya arra kényszerítette a Katorgint, hogy a külső piacon keressen vevőt. Az egyik új hajtómű az RD-180 volt, amelyet 1995-ben kifejezetten az amerikai Lockheed Martin által szervezett pályázaton való részvételre fejlesztettek ki, amely folyékony hajtóanyagú rakétamotort választott az akkori korszerűsítés alatt álló Atlas hordozórakétához. Ennek eredményeként az NPO Energomash megállapodást írt alá 101 hajtómű szállításáról, és 2012 elejére már több mint 60 rakétahajtóművet szállított az Egyesült Államoknak, amelyek közül 35-öt sikeresen üzemeltettek az Atlason különféle célú műholdak felbocsátására..

A díj átadása előtt a Szakértő Borisz Katorgin akadémikussal beszélgetett a folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek fejlesztésének helyzetéről és kilátásairól, és megtudta, miért számítanak még mindig innovatívnak a negyven évvel ezelőtti fejlesztéseken alapuló hajtóművek, illetve az RD-180 nem tudták újrateremteni az amerikai gyárakban.

- Borisz Ivanovics, pontosan mi az érdeme a hazai folyékony hajtóanyagú sugárhajtóművek megalkotásában, amelyeket ma már a világ legjobbjának tartanak?

- Ahhoz, hogy ezt elmagyarázzuk egy laikusnak, valószínűleg különleges képességekre van szükség. Folyékony hajtóanyagú rakétamotorokhoz égéstereket, gázgenerátorokat fejlesztettem; általában maguknak a hajtóműveknek a létrehozását felügyelte a világűr békés feltárására. (Az égésterekben a tüzelőanyag és az oxidálószer összekeveredik és elégetik, és egy térfogatú forró gázok képződnek, amelyek a fúvókákon keresztül kilökve hozzák létre a tényleges sugártolóerőt; gázgenerátorok is elégetik a tüzelőanyag-keveréket, de már a turbószivattyúk működése, amelyek hatalmas nyomás alatt szivattyúzzák az üzemanyagot és az oxidálószert ugyanabba az égéstérbe. - "Szakértő".)

- Ön békés űrkutatásról beszél, bár nyilvánvaló, hogy az NPO Energomash-nál gyártott összes, több tíztől 800 tonnáig terjedő tolóerejű hajtóművet elsősorban katonai szükségletekre szánták.

– Egyetlen atombombát sem kellett ledobnunk, rakétáinkon egyetlen nukleáris töltetet sem juttattunk el a célponthoz, és hála Istennek. Minden katonai fejlesztés békés térbe ment. Büszkék lehetünk rakéta- és űrtechnológiánk óriási hozzájárulására az emberi civilizáció fejlődéséhez. Az asztronautikának köszönhetően egész technológiai klaszterek születtek: az űrnavigáció, a távközlés, a műholdas televíziózás és az érzékelőrendszerek.

- Az R-9 interkontinentális ballisztikus rakéta motorja, amelyen Ön dolgozott, szinte minden emberes programunk alapját képezte.

- Még az 1950-es évek végén végeztem számítási és kísérleti munkát az RD-111-es hajtómű égésterében a keverékképződés javítására, amelyet éppen ehhez a rakétához terveztek. A munka eredményeit továbbra is felhasználják ugyanahhoz a Szojuz rakétához a módosított RD-107 és RD-108 hajtóművekben, ezeken az összes emberes programmal együtt mintegy kétezer űrrepülést hajtottak végre.

- Két évvel ezelőtt interjút készítettem kollégájával, Alekszandr Leontyev Global Energy díjas akadémikussal. A nagyközönségtől elzárt szakemberekről szóló beszélgetésben, amely egykor maga Leontyev is volt, megemlítette Vitalij Ievlevet, aki szintén sokat tett űriparunkért.

- Sok akadémikust, aki a védelmi iparnak dolgozott, minősítettek – ez tény. Most sok mindent feloldottak – ez is tény. Alekszandr Ivanovicsot nagyon jól ismerem: számítási módszerek és módszerek kidolgozásán dolgozott különféle rakétahajtóművek égésterének hűtésére. Ennek a technológiai problémának a megoldása nem volt egyszerű, különösen akkor, amikor elkezdtük a lehető legnagyobb mértékben kicsikarni az üzemanyag-keverék kémiai energiáját a maximális fajlagos impulzus elérése érdekében, többek között az égésterek nyomását 250 atmoszférára növelve. Vegyük a legerősebb motorunkat - az RD-170-et. Üzemanyag-fogyasztás oxidálószerrel - kerozin folyékony oxigénnel a motoron keresztül - 2,5 tonna másodpercenként. A benne lévő hőáramlás eléri az 50 megawattot négyzetméterenként - ez hatalmas energia. Az égéstér hőmérséklete 3,5 ezer Celsius fok. Speciális hűtést kellett kitalálni az égéstérhez, hogy kiszámítottan működjön és bírja a hőfejet. Alekszandr Ivanovics éppen ezt tette, és meg kell mondanom, kiváló munkát végzett. Vitalij Mihajlovics Ievlev - az Orosz Tudományos Akadémia levelező tagja, a műszaki tudományok doktora, professzor, aki sajnos elég korán elhunyt - a legszélesebb profilú tudós volt, enciklopédikus műveltséggel rendelkezett. Leontyevhez hasonlóan ő is sokat dolgozott a nagy igénybevételű hőszerkezetek számítási módszertanán. Munkájuk hol keresztezte egymást, hol integrálták őket, és ennek eredményeként egy kiváló módszert kaptak, amellyel bármely égéstér hőintenzitását ki lehet számítani; most talán bármelyik diák megteheti, ha használja. Ezenkívül Vitalij Mihajlovics aktívan részt vett a nukleáris, plazma rakétamotorok fejlesztésében. Itt keresztezték egymást az érdekeink azokban az években, amikor az Energomash ugyanezt tette.

- A Leontyevvel folytatott beszélgetésünk során szó esett az RD-180 energomash hajtóművek USA-ban történő értékesítéséről, és Alekszandr Ivanovics elmondta, hogy ez a motor sok tekintetben olyan fejlesztések eredménye, amelyek éppen az RD-170 megalkotásakor történtek., és bizonyos értelemben fele. Ez tényleg a visszaskálázás eredménye?

- Minden új dimenzióban lévő motor természetesen új berendezés. A 400 tonnás tolóerővel rendelkező RD-180 valójában feleakkora, mint a 800 tonnás tolóerővel rendelkező RD-170. Az új Angara rakétánkhoz tervezett RD-191 tolóereje 200 tonna. Mi a közös ezekben a motorokban? Mindegyikben egy turbószivattyú van, de az RD-170 négy égésterű, az "amerikai" RD-180 kettő, az RD-191 pedig egy. Minden motornak szüksége van saját turbószivattyú egységre - elvégre, ha a négykamrás RD-170 körülbelül 2,5 tonna üzemanyagot fogyaszt másodpercenként, amelyhez 180 ezer kilowatt teljesítményű turbószivattyút fejlesztettek ki, ami több mint kétszerese nagyobb, mint például az "Arktika" atomjégtörő reaktorteljesítménye, akkor a kétkamrás RD-180 - csak fele, 1, 2 tonna. Közvetlenül részt vettem az RD-180 és RD-191 turbószivattyúinak fejlesztésében, és egyúttal vezettem ezeknek a motoroknak a létrehozását.

- Tehát ezeken a motorokon ugyanaz az égéstér, csak a számuk más?

- Igen, és ez a fő eredményünk. Az egyik ilyen, mindössze 380 milliméter átmérőjű kamrában másodpercenként valamivel több, mint 0,6 tonna üzemanyag ég el. Túlzás nélkül ez a fényképezőgép egy egyedülálló, magas hőterhelésű berendezés, speciális övekkel, amelyek megvédik az erős hőáramokat. A védelem nemcsak a kamrafalak külső hűtésének köszönhető, hanem egy zseniális módszernek is köszönhető, hogy egy tüzelőanyag-fóliát „béléselnek” rájuk, amely elpárolog és lehűti a falat. Erre a kiváló, a világon páratlan kamerára alapozva gyártjuk legjobb motorjainkat: RD-170 és RD-171 az Energia és Zenit számára, RD-180 az amerikai Atlas és RD-191 az új orosz rakéta számára. "Angara".

- Az "Angara"-nak több évvel ezelőtt kellett volna a "Proton-M" helyére lépnie, de a rakéta alkotói komoly problémákkal szembesültek, az első repülési teszteket többször is elhalasztották, és úgy tűnik, hogy a projekt továbbra is elakad.

- Valóban voltak problémák. Most született döntés a rakéta 2013-as kilövéséről. Az Angara sajátossága, hogy univerzális rakétamoduljai alapján 2,5-25 tonna hasznos teherbírású hordozórakéták egész családja hozható létre rakomány alacsony földi pályára bocsátására. RD-191 univerzális oxigén-kerozin motor. Az Angara-1 egy hajtóművel rendelkezik, az Angara-3 - három, összesen 600 tonnás tolóerővel, az Angara-5 tolóereje 1000 tonna lesz, vagyis több rakományt tud majd pályára állítani, mint a Proton. Ráadásul a Proton motorokban elégetett nagyon mérgező heptil helyett környezetbarát üzemanyagot használunk, ami után már csak víz és szén-dioxid marad.

- Hogyan történhetett meg, hogy ugyanaz az RD-170, amelyet még a hetvenes évek közepén készítettek, még mindig innovatív termék maradt, és technológiáit használják új rakétahajtóművek alapjául?

- Hasonló történet történt egy Vlagyimir Mihajlovics Myasishchev által a második világháború után készített repülőgéppel (az M-sorozat nagy hatótávolságú stratégiai bombázója, amelyet az 1950-es évek moszkvai OKB-23-a fejlesztett ki - "Expert"). A gép sok tekintetben harminc évvel megelőzte korát, tervezésének elemeit aztán más repülőgépgyártók kölcsönözték. Így van ez: az RD-170-ben rengeteg új elem, anyag, tervezési megoldás található. Becslésem szerint még néhány évtizedig nem avulnak el. Ez elsősorban az NPO Energomash alapítójának és általános tervezőjének, Valentin Petrovics Glushkónak, valamint az Orosz Tudományos Akadémia levelező tagjának, Vitalij Petrovics Radovszkijnak köszönhető, aki Glushko halála után vezette a céget. (Megjegyzendő, hogy az RD-170 világviszonylatban a legjobb energia- és működési jellemzőit nagyrészt annak köszönheti, hogy a Korgin megoldása a nagyfrekvenciás égési instabilitás elnyomására azáltal, hogy ugyanabban az égéstérben pulzálásgátló terelőket fejlesztett ki. – „Szakértő”.) És az első -fokozatú RD-253 motor a "Proton" hordozórakétához? Még 1965-ben mutatták be, és annyira tökéletes, hogy még senki sem tudta felülmúlni. Glushko így tanított tervezni - a lehetőségek határán és mindig a világátlag felett. Fontos megjegyezni egy másik dolgot is: az ország befektetett technológiai jövőjébe. Milyen volt a Szovjetunióban? Az Általános Gépgyártási Minisztérium, amely különösen az űrügyért és a rakétákért volt felelős, hatalmas költségvetésének 22 százalékát költötte egyedül K+F-re – minden területen, beleértve a meghajtást is. Ma a kutatásfinanszírozás sokkal kevesebb, és ez sokat mond.

- Ugye ezeknek a rakétahajtóműveknek a tökéletes tulajdonságainak elérése, és ez fél évszázaddal ezelőtt történt, hogy a kémiai energiaforrással rendelkező rakétamotor bizonyos értelemben elavult: a fő felfedezéseket a rakétahajtóművek új generációiban tették?, most inkább az úgynevezett támogató innovációkról beszélünk??

- Biztosan nem. A folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek keresettek, és még nagyon sokáig lesznek is, mert egyetlen más technológia sem képes megbízhatóbban és gazdaságosabban felemelni a terhet a Földről és alacsony Föld körüli pályára állítani. Környezetbarátak, különösen azok, amelyek folyékony oxigénnel és kerozinnal működnek. De a csillagokba és más galaxisokba való repülésekhez a folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek természetesen teljesen alkalmatlanok. A teljes metagalaxis tömege 10-56 gramm gramm. Ahhoz, hogy egy folyékony hajtóanyagú motoron legalább a fénysebesség negyedére felgyorsuljon, teljesen hihetetlen mennyiségű üzemanyagra van szükség - 10-3200 grammra, szóval még gondolni is hülyeség. A folyékony hajtóanyagú rakétamotornak saját rése van - fenntartó hajtóművek. Folyékony motorokon felgyorsíthatja a hordozót a második kozmikus sebességre, repülhet a Marsra, és kész.

- A következő szakasz - nukleáris rakétahajtóművek?

- Természetesen. Nem tudni, hogy meg fogjuk-e élni az egyes szakaszokat, de már a szovjet időkben is sokat tettek az atommeghajtású rakétahajtóművek fejlesztéséért. Most az Anatolij Szazonovics Korotejev akadémikus vezette Keldysh Központ vezetésével az úgynevezett közlekedési és energetikai modult fejlesztik. A tervezők arra a következtetésre jutottak, hogy lehetséges a Szovjetuniónál kevésbé megterhelő gázhűtéses atomreaktor létrehozása, amely erőműként és plazmamotorok energiaforrásaként is működik az űrben való utazás során.. Most egy ilyen reaktort terveznek az N. A. Dollezhalról elnevezett NIKIET-ben Jurij Dragunov, az Orosz Tudományos Akadémia levelező tagja vezetésével. A kalinyingrádi "Fakel" tervezőiroda is részt vesz a projektben, ahol elektromos meghajtású motorokat hoznak létre. A szovjet időkhöz hasonlóan ez sem megy a Voronyezsi Vegyi Automatika Tervező Iroda nélkül, ahol gázturbinákat és kompresszorokat gyártanak hűtőfolyadék - gázkeverék zárt hurokban történő - meghajtására.

- Addig is megyünk a rakétamotorhoz?

– Természetesen, és jól látjuk a kilátásokat ezeknek a motoroknak a továbbfejlesztésére. Taktikai, hosszú távú feladatok vannak, itt nincs határ: új, hőállóbb bevonatok, új kompozit anyagok bevezetése, a motorok tömegének csökkentése, megbízhatóságuk növelése, az irányítás egyszerűsítése. rendszer. Számos elem bevezethető az alkatrészek kopásának és a motorban előforduló egyéb folyamatok jobb szabályozására. Vannak stratégiai feladatok: például cseppfolyósított metán és acetilén üzemanyagként történő fejlesztése ammóniával vagy háromkomponensű üzemanyaggal együtt. Az NPO Energomash háromkomponensű motort fejleszt. Egy ilyen folyékony hajtóanyagú rakétamotort az első és a második fokozat motorjaként is fel lehetne használni. Az első szakaszban jól fejlett alkatrészeket használ: oxigént, folyékony kerozint, és ha körülbelül öt százalékkal több hidrogént ad hozzá, akkor a fajlagos impulzus jelentősen megnő - ez a motor egyik fő energiajellemzője, ami azt jelenti, hogy nagyobb a hasznos teher. ki lehet küldeni az űrbe. Az első szakaszban az összes kerozint hidrogén hozzáadásával állítják elő, a másodikban pedig ugyanaz a motor vált át háromkomponensű üzemanyaggal egy kétkomponensűre - hidrogén és oxigén.

Készítettünk már egy kísérleti motort, bár kis méretű és csak kb. 7 tonnás tolóerővel, 44 tesztet végeztünk, teljes körű keverőelemeket készítettünk a fúvókákban, a gázgenerátorban, az égéstérben, és megállapítottuk, hogy először három komponensen dolgozhat, majd simán válthat kettőre. Minden működik, magas égési hatásfok érhető el, de a továbblépéshez nagyobb mintára van szükség, módosítani kell az állványokat, hogy az égéstérbe dobhassuk azokat az alkatrészeket, amelyeket egy igazi motorban fogunk használni: folyékony hidrogén és oxigén, valamint kerozin. Szerintem ez egy nagyon ígéretes irány és nagy előrelépés. És remélem, hogy életem során lesz időm tenni valamit.

- Miért nem tudták az amerikaiak, miután megkapták az RD-180 reprodukálásának jogát, hosszú évek óta?

- Az amerikaiak nagyon pragmatikusak. Az 1990-es években, a velünk végzett munkájuk elején rájöttek, hogy energetikai téren messze előttük járunk, és ezeket a technológiákat tőlünk kell átvennünk. Például a mi RD-170-es motorunk egy indításnál egy nagyobb fajlagos impulzus miatt két tonnával többet tudott kihozni a hasznos teherből, mint a legerősebb F-1-ük, ami akkoriban 20 millió dollár nyereséget jelentett. Pályázatot hirdettek 400 tonnás motorra az Atlaseikba, amit az RD-180-asunk nyert meg. Aztán az amerikaiak úgy gondolták, hogy elkezdenek velünk dolgozni, és négy év múlva átveszik a technológiáinkat és maguk reprodukálják. Rögtön megmondtam nekik: több mint egymilliárd dollárt és tíz évet fogtok költeni. Eltelt négy év, és azt mondják: igen, hat év kell. Több év telt el, azt mondják: nem, kell még nyolc év. Tizenhét év telt el, és egyetlen motort sem gyártottak le. Már csak a padok felszerelésére dollármilliárdokra van szükségük. Az Energomashnál vannak olyan standjaink, ahol ugyanazt az RD-170-es motort lehet tesztelni egy nyomáskamrában, amelynek sugárteljesítménye eléri a 27 millió kilowatttot.

- Jól hallottam - 27 gigawatt? Ez több, mint az összes Rosatom atomerőmű beépített kapacitása.

- Huszonhét gigawatt a jet teljesítménye, amely viszonylag rövid idő alatt fejlődik. Az állványon végzett tesztek során először egy speciális medencében, majd egy 16 méter átmérőjű és 100 méter magas diszperziós csőben oltják ki a sugár energiáját. Sok pénzbe kerül egy ilyen próbapad megépítése, amelyen egy ilyen teljesítményt termelő motor is elfér. Az amerikaiak most lemondtak erről, és a kész terméket veszik. Ebből kifolyólag nem nyersanyagot adunk el, hanem egy hatalmas hozzáadott értékű terméket, amelybe magas szellemi munkaerőt fektetnek be. Sajnos Oroszországban ez ritka példa a csúcstechnológiás külföldre történő ilyen nagy volumenű értékesítésre. De ez azt bizonyítja, hogy a kérdés helyes megfogalmazásával sok mindenre vagyunk képesek.

- Borisz Ivanovics, mit kell tenni annak érdekében, hogy ne veszítse el a szovjet rakétahajtómű-épület által megszerzett előnyt? Valószínűleg a K+F finanszírozásának hiányán kívül egy másik probléma is nagyon fájdalmas – a személyzet?

- A világpiacon maradáshoz folyamatosan előre kell menni, új termékeket kell létrehozni. Úgy látszik, egészen addig, amíg a végünket le nem nyomták és a mennydörgés meg nem ütött. De az államnak be kell látnia, hogy új fejlesztések nélkül a világpiac peremére kerül, és ma, ebben az átmeneti időszakban, amikor még nem nőttünk fel a normális kapitalizmusba, mindenekelőtt az újba kell befektetnie. az állam. Ezután a sorozat kiadásának fejlesztését átadhatja egy magáncégnek, az állam és az üzleti élet számára egyaránt előnyös feltételekkel. Nem hiszem, hogy lehetetlen ésszerű módszereket kitalálni valami új létrehozására, ezek nélkül hiába beszélünk fejlesztésről és innovációról.

Vannak személyzet. Egy osztályvezető vagyok a Moszkvai Repülési Intézetben, ahol motor- és lézerspecialistákat egyaránt képezünk. A srácok okosak, a tanult üzletet akarják csinálni, de normális kezdeti impulzust kell adni nekik, hogy ne hagyják el, ahogy most sokan teszik, hogy programokat írjanak a bolti áruosztáshoz. Ehhez megfelelő laboratóriumi környezet kialakítása, tisztességes fizetés biztosítása szükséges. A tudomány és az Oktatási Minisztérium közötti interakció megfelelő struktúrájának kialakítása. Ugyanez a Tudományos Akadémia számos, a személyzet képzésével kapcsolatos kérdést megold. Valójában az akadémia jelenlegi tagjai, levelező tagok között sok olyan szakember van, aki high-tech vállalkozásokat és kutatóintézeteket, erős tervezőirodákat irányít. Közvetlenül érdekeltek abban, hogy a szervezetükhöz rendelt tanszékek képezzék ki a szükséges szakembereket a technológia, a fizika, a kémia területén, hogy azonnal ne csak egy szakirányú egyetemi végzettséget kapjanak, hanem egy kész szakembert, akinek van némi élet- és tudományos ill. műszaki tapasztalat. Mindig is így volt: a legjobb szakemberek olyan intézményekben, vállalkozásokban születtek, ahol oktatási osztályok működtek. Az Energomashnál és az NPO Lavochkinnél a Moszkvai Repülési Intézet „Kometa” részlegének osztályai vannak, amelyekért én vagyok a felelős. Vannak öreg káderek, akik át tudják adni a tapasztalatot a fiataloknak. De már nagyon kevés idő van hátra, és a veszteségek helyrehozhatatlanok lesznek: ahhoz, hogy egyszerűen visszatérhessen a jelenlegi szintre, sokkal több erőfeszítést kell költenie, mint amennyi ma szükséges annak fenntartására.