Hvorfor kan ikke amerikanere lage rommotorer?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Skaperen av verdens beste rakettmotorer med flytende drivstoff, akademiker Boris Katorgin, forklarer hvorfor amerikanerne fortsatt ikke kan gjenta prestasjonene våre på dette området, og hvordan de kan beholde det sovjetiske forspranget i fremtiden.

21. juni, på St. Petersburg Economic Forum, ble vinnerne av Global Energy Prize delt ut. En autoritativ kommisjon av industrieksperter fra forskjellige land valgte ut tre søknader av 639 innsendte og kåret vinnerne av 2012-prisen, som vanligvis kalles "Nobelprisen for kraftingeniører". Som et resultat ble 33 millioner premium rubler i år delt av den berømte oppfinneren fra Storbritannia, professor Rodney John Allam, og to av våre fremragende vitenskapsmenn - akademikere ved det russiske vitenskapsakademiet Boris Katorgin og Valery Kostyuk.

Alle tre er relatert til etableringen av kryogen teknologi, studiet av egenskapene til kryogene produkter og deres anvendelse i ulike kraftverk. Akademiker Boris Katorgin ble tildelt "for utvikling av svært effektive rakettmotorer med flytende drivstoff på kryogent brensel, som gir pålitelig drift av romsystemer med høye energiparametere for fredelig bruk av rommet." Med direkte deltakelse fra Katorgin, som viet mer enn femti år til OKB-456-bedriften, nå kjent som NPO Energomash, ble det opprettet rakettmotorer med flytende drivstoff (LRE), hvis ytelse fortsatt regnes som den beste i verden. Katorgin selv var engasjert i utviklingen av ordninger for organisering av arbeidsprosessen i motorer, blandingsdannelse av drivstoffkomponenter og eliminering av pulsering i forbrenningskammeret. Også kjent er hans grunnleggende arbeid med kjernefysiske rakettmotorer (NRE) med høy spesifikk impuls og utvikling innen feltet for å lage kraftige kontinuerlige kjemiske lasere.

I de vanskeligste tidene for russiske vitenskapsintensive organisasjoner, fra 1991 til 2009, ledet Boris Katorgin NPO Energomash, og kombinerte stillingene som daglig leder og generaldesigner, og klarte ikke bare å beholde selskapet, men også å skape en rekke nye motorer. Fraværet av en intern ordre på motorer tvang Katorgin til å se etter en kunde i det eksterne markedet. En av de nye motorene var RD-180, utviklet i 1995 spesifikt for deltakelse i et anbud organisert av det amerikanske selskapet Lockheed Martin, som valgte en rakettmotor med flytende drivstoff for Atlas bærerakett som ble oppgradert på den tiden. Som et resultat signerte NPO Energomash en avtale om levering av 101 motorer og hadde allerede i begynnelsen av 2012 levert mer enn 60 rakettmotorer til USA, hvorav 35 ble vellykket operert på Atlas i oppskytingen av satellitter til forskjellige formål..

Før tildelingen av prisen snakket eksperten med akademiker Boris Katorgin om tilstanden og utsiktene til utviklingen av rakettmotorer med flytende drivstoff og fant ut hvorfor motorer basert på utviklingen for førti år siden fortsatt anses som innovative, og RD-180 kunne ikke gjenskapes på amerikanske fabrikker.

- Boris Ivanovich, hva er egentlig din fortjeneste i å lage innenlandske jetmotorer med flytende drivstoff, som nå regnes som de beste i verden?

– For å forklare dette til en lekmann trenger du nok en spesiell ferdighet. For rakettmotorer med flytende drivstoff utviklet jeg forbrenningskamre, gassgeneratorer; generelt overvåket han opprettelsen av selve motorene for fredelig utforskning av verdensrommet. (I forbrenningskamrene blandes drivstoffet og oksidasjonsmidlet og forbrennes, og det dannes et volum av varme gasser, som deretter slynges ut gjennom dysene, skaper selve jetkraften; gassgeneratorer brenner også drivstoffblandingen, men allerede for drift av turbopumper, som pumper drivstoff og oksidasjonsmiddel under enormt trykk inn i samme forbrenningskammer. - "Ekspert".)

– Du snakker om fredelig romutforskning, selv om det er åpenbart at alle motorer med skyvekraft fra flere titalls til 800 tonn, som ble laget ved NPO Energomash, først og fremst var ment for militære behov.

– Vi trengte ikke slippe en eneste atombombe, vi leverte ikke en eneste atomladning på rakettene våre til målet, og gudskjelov. All militær utvikling gikk inn i fredelig rom. Vi kan være stolte av det enorme bidraget fra rakett- og romteknologien vår til utviklingen av menneskelig sivilisasjon. Takket være astronautikk ble hele teknologiske klynger født: romnavigasjon, telekommunikasjon, satellitt-TV og sansesystemer.

– Motoren til det interkontinentale ballistiske missilet R-9, som du jobbet med, dannet da grunnlaget for nesten hele vårt bemannede program.

– Tilbake på slutten av 1950-tallet utførte jeg beregningsmessig og eksperimentelt arbeid for å forbedre blandingsdannelsen i forbrenningskamrene til RD-111-motoren, som var beregnet på akkurat den raketten. Resultatene av arbeidet brukes fortsatt i de modifiserte RD-107- og RD-108-motorene for den samme Soyuz-raketten; rundt to tusen romflyvninger ble utført på dem, inkludert alle bemannede programmer.

– For to år siden intervjuet jeg din kollega, akademiker Alexander Leontyev, Global Energy Laureate. I en samtale om spesialister stengt for allmennheten, som Leontyev selv en gang var, nevnte han Vitaly Ievlev, som også gjorde mye for romindustrien vår.

– Mange akademikere som jobbet for forsvarsindustrien ble klassifisert – dette er et faktum. Nå er mye avklassifisert – dette er også et faktum. Jeg kjenner Alexander Ivanovich veldig godt: han jobbet med å lage beregningsmetoder og metoder for avkjøling av forbrenningskamrene til forskjellige rakettmotorer. Å løse dette teknologiske problemet var ikke lett, spesielt da vi begynte å presse ut den kjemiske energien til drivstoffblandingen så mye som mulig for å oppnå maksimal spesifikk impuls, og øke blant annet trykket i forbrenningskamrene til 250 atmosfærer. La oss ta vår kraftigste motor - RD-170. Drivstofforbruk med et oksidasjonsmiddel - parafin med flytende oksygen som går gjennom motoren - 2,5 tonn per sekund. Varmestrømmer i den når 50 megawatt per kvadratmeter - dette er en enorm energi. Temperaturen i forbrenningskammeret er 3, 5 tusen grader Celsius. Det var nødvendig å komme med en spesiell kjøling for brennkammeret slik at det kunne fungere kalkulert og tåle det termiske hodet. Alexander Ivanovich gjorde nettopp det, og jeg må si, han gjorde en utmerket jobb. Vitaly Mikhailovich Ievlev - Korresponderende medlem av det russiske vitenskapsakademiet, doktor i tekniske vitenskaper, professor, som dessverre døde ganske tidlig, - var en vitenskapsmann av den bredeste profilen, hadde en leksikon lærdom. I likhet med Leontiev jobbet han mye med metodikken for å beregne termiske strukturer med høy spenning. Arbeidet deres et sted krysset hverandre, et sted ble de integrert, og som et resultat ble det oppnådd en utmerket metode som det er mulig å beregne varmeintensiteten til alle forbrenningskamre; nå, kanskje, ved å bruke det, kan enhver student gjøre det. I tillegg tok Vitaly Mikhailovich en aktiv del i utviklingen av kjernefysiske, plasmarakettmotorer. Her krysset våre interesser seg i årene da Energomash gjorde det samme.

- I vår samtale med Leontyev kom vi inn på salget av RD-180 energomash-motorene i USA, og Alexander Ivanovich sa at denne motoren på mange måter er et resultat av utviklingen som ble gjort akkurat under etableringen av RD-170, og på en måte halvparten. Er dette virkelig resultatet av tilbakeskaleringen?

– Enhver motor i en ny dimensjon er selvfølgelig et nytt apparat. RD-180 med en skyvekraft på 400 tonn er faktisk halvparten av størrelsen på RD-170 med en skyvekraft på 800 tonn. RD-191, designet for vår nye Angara-rakett, har en skyvekraft på 200 tonn. Hva har disse motorene til felles? Alle har en turbopumpe, men RD-170 har fire forbrenningskamre, den "amerikanske" RD-180 har to, og RD-191 har ett. Hver motor trenger sin egen turbopumpeenhet - tross alt, hvis firekammer RD-170 bruker omtrent 2,5 tonn drivstoff per sekund, som det ble utviklet en turbopumpe med en kapasitet på 180 tusen kilowatt, som er mer enn to ganger høyere enn for eksempel reaktorkraften til atomisbryteren "Arktika", deretter tokammeret RD-180 - bare halvparten, 1, 2 tonn. I utviklingen av turbopumper for RD-180 og RD-191 deltok jeg direkte og ledet samtidig etableringen av disse motorene som helhet.

– Så forbrenningskammeret er det samme på alle disse motorene, bare antallet er forskjellig?

– Ja, og dette er vår hovedprestasjon. I et slikt kammer med en diameter på bare 380 millimeter forbrennes litt mer enn 0,6 tonn drivstoff per sekund. Uten å overdrive er dette kameraet et unikt høyvarmestressutstyr med spesielle belter for å beskytte mot kraftige varmeflukser. Beskyttelse utføres ikke bare på grunn av ekstern kjøling av kammerveggene, men også på grunn av en genial metode for å "fore" en drivstofffilm på dem, som fordamper og avkjøler veggen. På grunnlag av dette enestående kameraet, som ikke har noen like i verden, produserer vi våre beste motorer: RD-170 og RD-171 for Energia og Zenit, RD-180 for det amerikanske Atlas og RD-191 for det nye russiske missilet "Angara".

– «Angara» skulle erstatte «Proton-M» for flere år siden, men skaperne av raketten sto overfor alvorlige problemer, de første flytestene ble gjentatte ganger utsatt, og prosjektet ser ut til å fortsette å stoppe opp.

– Det var virkelig problemer. Det er nå tatt en beslutning om å skyte opp raketten i 2013. Det særegne ved Angara er at det, på grunnlag av sine universelle rakettmoduler, er mulig å lage en hel familie av utskytningskjøretøyer med en nyttelastkapasitet på 2,5 til 25 tonn for å skyte ut last i lav bane rundt jorden på grunnlag av RD-191 universell oksygen-parafinmotor. Angara-1 har én motor, Angara-3 - tre med en total skyvekraft på 600 tonn, Angara-5 vil ha 1000 tonn skyvekraft, det vil si at den vil kunne sette mer last i bane enn Proton. I tillegg, i stedet for den svært giftige heptylen, som brennes i Proton-motorene, bruker vi miljøvennlig drivstoff, hvoretter kun vann og karbondioksid gjenstår.

– Hvordan skjedde det at den samme RD-170, som ble skapt tilbake på midten av 1970-tallet, faktisk fortsatt er et innovativt produkt, og dens teknologier brukes som grunnlag for nye rakettmotorer?

- En lignende historie skjedde med et fly opprettet etter andre verdenskrig av Vladimir Mikhailovich Myasishchev (et langtrekkende strategisk bombefly av M-serien, utviklet av Moskva OKB-23 på 1950-tallet - "Expert"). På mange måter var flyet tretti år forut for sin tid, og elementene i designet ble da lånt av andre flyprodusenter. Så det er her: i RD-170 er det mange nye elementer, materialer, designløsninger. Etter mine anslag vil de ikke bli foreldet før om flere tiår. Dette skyldes først og fremst grunnleggeren av NPO Energomash og dens generelle designer Valentin Petrovich Glushko og korresponderende medlem av det russiske vitenskapsakademiet Vitaly Petrovich Radovsky, som ledet selskapet etter Glushkos død. (Merk at verdens beste energi- og driftsegenskaper til RD-170 i stor grad skyldes Katorgins løsning på problemet med å undertrykke høyfrekvent forbrenningsustabilitet ved å utvikle antipulsasjonsbaffler i samme forbrenningskammer. - "Ekspert".) Og den første -trinns RD-253 motor for bærerakett "Proton"? Den ble introdusert tilbake i 1965, og er så perfekt at den ennå ikke har blitt overgått av noen. Slik lærte Glushko å designe - på grensen av det mulige og alltid over verdensgjennomsnittet. Det er også viktig å huske en annen ting: landet har investert i sin teknologiske fremtid. Hvordan var det i Sovjetunionen? Departementet for generell maskinbygging, som spesielt hadde ansvaret for romfart og raketter, brukte 22 prosent av sitt enorme budsjett på FoU alene – på alle områder, inkludert fremdrift. I dag er forskningsfinansieringen mye mindre og det sier mye.

- Er ikke oppnåelsen av noen perfekte kvaliteter med disse rakettmotorene, og dette skjedde for et halvt århundre siden, at en rakettmotor med en kjemisk energikilde på en eller annen måte er utdatert: de viktigste funnene er gjort i nye generasjoner rakettmotorer, nå snakker vi mer om de såkalte støtteinnovasjonene??

- Absolutt ikke. Rakettmotorer med flytende drivstoff er etterspurt og vil være etterspurt i svært lang tid, fordi ingen annen teknologi er i stand til å mer pålitelig og økonomisk løfte en last fra jorden og sette den i lav bane rundt jorden. De er miljøvennlige, spesielt de som går på flytende oksygen og parafin. Men for flyreiser til stjerner og andre galakser er rakettmotorer med flytende drivstoff, selvfølgelig, helt uegnet. Massen til hele metagalaksen er 10 til 56 grader av gram. For å akselerere på en flytende drivstoffmotor til minst en fjerdedel av lyshastigheten, kreves det en helt utrolig mengde drivstoff - 10 til 3200 gram, så selv å tenke på det er dumt. Rakettmotoren med flytende drivstoff har sin egen nisje - sustainer-motorer. På flytende motorer kan du akselerere bæreren til den andre kosmiske hastigheten, fly til Mars, og det er det.

- Neste trinn - kjernefysiske rakettmotorer?

- Absolutt. Det er ikke kjent om vi kommer til å leve for å se noen av etappene, men mye er gjort for utviklingen av atomdrevne rakettmotorer allerede i sovjettiden. Nå, under ledelse av Keldysh Center, ledet av akademiker Anatoly Sazonovich Koroteev, utvikles den såkalte transport- og energimodulen. Designerne kom til den konklusjon at det er mulig å lage en gasskjølt atomreaktor som er mindre stressende enn den var i USSR, som vil fungere både som et kraftverk og som energikilde for plasmamotorer når de reiser i verdensrommet. En slik reaktor blir nå designet ved NIKIET oppkalt etter N. A. Dollezhal under ledelse av korresponderende medlem av det russiske vitenskapsakademiet Yuri Dragunov. Kaliningrad designbyrå "Fakel" deltar også i prosjektet, der elektriske fremdriftsmotorer lages. Som i sovjettiden, vil det ikke klare seg uten Voronezh Design Bureau of Chemical Automatics, hvor gassturbiner og kompressorer vil bli produsert for å drive en kjølevæske - en gassblanding i en lukket sløyfe.

– Skal vi i mellomtiden til rakettmotoren?

– Selvfølgelig, og vi ser tydelig utsiktene for videreutvikling av disse motorene. Det er taktiske, langsiktige oppgaver, det er ingen grense her: introduksjon av nye, mer varmebestandige belegg, nye komposittmaterialer, en reduksjon i massen av motorer, en økning i deres pålitelighet og en forenkling av kontrollen ordningen. En rekke elementer kan introduseres for bedre å kontrollere slitasjen på deler og andre prosesser som oppstår i motoren. Det er strategiske oppgaver: for eksempel utvikling av flytende metan og acetylen som drivstoff sammen med ammoniakk eller tre-komponent drivstoff. NPO Energomash utvikler en tre-komponent motor. En slik rakettmotor med flytende drivstoff kan brukes som motor for både første og andre trinn. I det første trinnet bruker den velutviklede komponenter: oksygen, flytende parafin, og hvis du legger til omtrent fem prosent mer hydrogen, vil den spesifikke impulsen øke betydelig - en av motorens hovedenergiegenskaper, noe som betyr at mer nyttelast kan sendes ut i verdensrommet. I det første trinnet produseres all parafin med tilsetning av hydrogen, og i den andre bytter den samme motoren fra drift på tre-komponent drivstoff til en to-komponent - hydrogen og oksygen.

Vi har allerede laget en eksperimentell motor, om enn av en liten dimensjon og en skyvekraft på bare rundt 7 tonn, utført 44 tester, laget fullskala blandeelementer i dysene, i gassgeneratoren, i forbrenningskammeret og funnet ut at du kan først jobbe med tre komponenter, og deretter jevnt bytte til to. Alt ordner seg, en høy forbrenningseffektivitet oppnås, men for å gå videre trenger vi et større utvalg, vi må modifisere stativene for å lansere komponentene som vi skal bruke i en ekte motor inn i forbrenningskammeret: flytende hydrogen og oksygen, samt parafin. Jeg synes dette er en veldig lovende retning og et stort skritt fremover. Og jeg håper å få tid til å gjøre noe i løpet av livet.

– Hvorfor har amerikanerne, etter å ha fått rett til å reprodusere RD-180, ikke klart å lage det på mange år?

– Amerikanerne er veldig pragmatiske. Helt på 1990-tallet, helt i begynnelsen av arbeidet med oss, innså de at på energiområdet var vi langt foran dem, og vi måtte ta i bruk disse teknologiene fra oss. For eksempel kunne vår RD-170-motor i én start, på grunn av en høyere spesifikk impuls, ta ut en nyttelast to tonn mer enn deres kraftigste F-1, som på den tiden betydde 20 millioner dollar i gevinst. De annonserte en konkurranse om en 400-tonns motor for Atlasene deres, som ble vunnet av vår RD-180. Da trodde amerikanerne at de skulle begynne å jobbe med oss, og om fire år skulle de ta teknologiene våre og reprodusere dem selv. Jeg fortalte dem med en gang: du vil bruke mer enn en milliard dollar og ti år. Fire år har gått, og de sier: ja, det trengs seks år. Flere år har gått, sier de: nei, vi trenger åtte år til. Sytten år har gått, og de har ikke reprodusert en eneste motor. De trenger nå milliarder av dollar for benkeutstyr alene. På Energomash har vi stands hvor den samme RD-170-motoren kan testes i et trykkkammer, hvis jeteffekt når 27 millioner kilowatt.

– Jeg hørte rett – 27 gigawatt? Dette er mer enn den installerte kapasiteten til alle Rosatom NPPs.

– Tjuesju gigawatt er kraften til jetflyet, som utvikler seg på relativt kort tid. Under tester på stativet slukkes energien til strålen først i et spesielt basseng, deretter i et dispersjonsrør på 16 meter i diameter og 100 meter høyt. Det krever mye penger å bygge en testbenk som denne som kan huse en motor som genererer slik kraft. Amerikanerne har nå gitt opp dette og tar det ferdige produktet. Som et resultat selger vi ikke råvarer, men et produkt med en enorm merverdi, hvor det investeres svært intellektuelt arbeid. Dessverre, i Russland er dette et sjeldent eksempel på høyteknologisk salg i utlandet i et så stort volum. Men dette beviser at med riktig formulering av spørsmålet er vi i stand til mye.

- Boris Ivanovich, hva bør gjøres for ikke å miste forspranget fra den sovjetiske rakettmotorbygningen? Sannsynligvis, bortsett fra mangelen på finansiering til FoU, er et annet problem også veldig smertefullt - personell?

– For å holde seg på verdensmarkedet må man hele tiden framover, lage nye produkter. Tilsynelatende, helt til enden av oss ble presset ned og tordenen slo ned. Men staten må innse at uten ny utvikling vil den befinne seg i marginene av verdensmarkedet, og i dag, i denne overgangsperioden, mens vi ennå ikke har vokst til normal kapitalisme, må den først og fremst investere i det nye - staten. Deretter kan du overføre utviklingen for utgivelsen av en serie til et privat selskap på vilkår som er fordelaktige for både stat og næringsliv. Jeg tror ikke det er umulig å komme opp med fornuftige metoder for å skape noe nytt, uten dem er det nytteløst å snakke om utvikling og innovasjoner.

Det er personell. Jeg er leder for en avdeling ved Moscow Aviation Institute, hvor vi utdanner både motorspesialister og laserspesialister. Gutta er smarte, de vil drive virksomheten de lærer, men du må gi dem en normal startimpuls slik at de ikke drar, slik mange gjør nå, for å skrive programmer for distribusjon av varer i butikker. For dette er det nødvendig å skape et passende laboratoriemiljø, for å gi en anstendig lønn. Bygg den riktige strukturen for samhandling mellom vitenskap og Kunnskapsdepartementet. Det samme vitenskapsakademiet løser mange problemstillinger knyttet til opplæring av personell. Faktisk, blant de nåværende medlemmene av akademiet, tilsvarende medlemmer, er det mange spesialister som administrerer høyteknologiske bedrifter og forskningsinstitutter, kraftige designbyråer. De er direkte interessert i avdelingene som er tildelt deres organisasjoner for å utdanne de nødvendige spesialistene innen teknologi, fysikk, kjemi, slik at de umiddelbart mottar ikke bare en spesialisert universitetsutdannet, men en ferdiglaget spesialist med litt liv og vitenskapelig og teknisk erfaring. Det har alltid vært slik: De beste spesialistene ble født i institutter og bedrifter der utdanningsavdelinger fantes. På Energomash og ved NPO Lavochkin har vi avdelinger av grenen til Moskva luftfartsinstitutt "Kometa", som jeg har ansvaret for. Det er gamle kadrer som kan gi erfaringen videre til de unge. Men det er veldig lite tid igjen, og tapene vil være uopprettelige: for å bare gå tilbake til det nåværende nivået, må du bruke mye mer innsats enn det som er nødvendig i dag for å opprettholde det.