Varför kan inte amerikaner tillverka rymdmotorer?

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Skaparen av världens bästa raketmotorer för flytande drivmedel, akademikern Boris Katorgin, förklarar varför amerikanerna fortfarande inte kan upprepa våra prestationer på detta område och hur man kan behålla det sovjetiska försprånget i framtiden.

Den 21 juni, vid St. Petersburg Economic Forum, delades vinnarna av Global Energy Prize ut. En auktoritativ kommission bestående av branschexperter från olika länder valde ut tre ansökningar av 639 inlämnade och utsåg vinnarna av 2012 års pris, som vanligtvis kallas "Nobelpriset för kraftingenjörer". Som ett resultat delades 33 miljoner premiumrubel i år av den berömda uppfinnaren från Storbritannien, professor Rodney John Allam, och två av våra framstående vetenskapsmän - akademiker från Ryska vetenskapsakademin Boris Katorgin och Valery Kostyuk.

Alla tre är relaterade till skapandet av kryogen teknologi, studiet av egenskaperna hos kryogena produkter och deras tillämpning i olika kraftverk. Akademikern Boris Katorgin belönades "för utvecklingen av högeffektiva raketmotorer för flytande drivmedel på kryogena bränslen, som ger tillförlitlig drift av rymdsystem med höga energiparametrar för fredlig användning av rymden." Med direkt deltagande av Katorgin, som ägnade mer än femtio år åt OKB-456-företaget, nu känt som NPO Energomash, skapades raketmotorer för flytande drivmedel (LRE), vars prestanda fortfarande anses vara den bästa i världen. Katorgin själv var engagerad i utvecklingen av system för att organisera arbetsprocessen i motorer, blandningsbildning av bränslekomponenter och eliminering av pulsering i förbränningskammaren. Också känt är hans grundläggande arbete med kärnraketmotorer (NRE) med en hög specifik impuls och utvecklingar inom området för att skapa kraftfulla kontinuerliga kemiska lasrar.

I de svåraste tiderna för ryska vetenskapsintensiva organisationer, från 1991 till 2009, ledde Boris Katorgin NPO Energomash, som kombinerade positionerna som generaldirektör och generaldesigner, och lyckades inte bara behålla företaget utan också skapa ett antal nya motorer. Frånvaron av en intern order på motorer tvingade Katorgin att leta efter en kund på den externa marknaden. En av de nya motorerna var RD-180, som utvecklades 1995 specifikt för deltagande i ett anbud som organiserades av det amerikanska företaget Lockheed Martin, som valde en raketmotor för flytande drivmedel för Atlas-raketen som uppgraderades vid den tiden. Som ett resultat undertecknade NPO Energomash ett avtal om leverans av 101 motorer och hade redan i början av 2012 levererat mer än 60 raketmotorer till USA, varav 35 framgångsrikt opererades på Atlas vid uppskjutning av satelliter för olika ändamål.

Innan priset tilldelades pratade experten med akademikern Boris Katorgin om tillståndet och utsikterna för utvecklingen av raketmotorer för flytande drivmedel och fick reda på varför motorer baserade på utvecklingen för fyrtio år sedan fortfarande anses vara innovativa, och RD-180 kunde inte återskapas på amerikanska fabriker.

- Boris Ivanovich, exakt vad är din förtjänst i skapandet av inhemska jetmotorer för flytande drivmedel, som nu anses vara de bästa i världen?

– För att förklara detta för en lekman behöver man nog en speciell skicklighet. För raketmotorer med flytande drivmedel utvecklade jag förbränningskammare, gasgeneratorer; i allmänhet övervakade han skapandet av själva motorerna för den fredliga utforskningen av yttre rymden. (I förbränningskamrarna blandas bränslet och oxidationsmedlet och förbränns, och en volym av heta gaser bildas, som sedan sprutas ut genom munstyckena, skapar den faktiska strålkraften; gasgeneratorer förbränner också bränsleblandningen, men redan för drift av turbopumpar, som pumpar bränsle och oxidationsmedel under enormt tryck in i samma förbränningskammare. - "Expert".)

– Du pratar om fredlig rymdutforskning, även om det är uppenbart att alla motorer med dragkraft från flera tiotal till 800 ton, som skapades på NPO Energomash, i första hand var avsedda för militära behov.

– Vi behövde inte släppa en enda atombomb, vi levererade inte en enda kärnladdning på våra missiler till målet, och tack och lov. All militär utveckling gick in i fredlig rymd. Vi kan vara stolta över det enorma bidraget från vår raket- och rymdteknik till utvecklingen av den mänskliga civilisationen. Tack vare astronautiken föddes hela tekniska kluster: rymdnavigering, telekommunikation, satellit-tv och avkänningssystem.

– Motorn för den interkontinentala ballistiska missilen R-9, som du arbetade på, utgjorde sedan grunden för nästan hela vårt bemannade program.

– Redan i slutet av 1950-talet utförde jag beräknings- och experimentarbete för att förbättra blandningsbildningen i förbränningskamrarna på RD-111-motorn, som var avsedd för just den raketen. Resultaten av arbetet används fortfarande i de modifierade RD-107- och RD-108-motorerna för samma Soyuz-raket; cirka två tusen rymdflygningar utfördes på dem, inklusive alla bemannade program.

– För två år sedan intervjuade jag din kollega, Global Energy Laureate Academician Alexander Leontyev. I ett samtal om specialister stängda för allmänheten, som Leontyev själv en gång var, nämnde han Vitaly Ievlev, som också gjorde mycket för vår rymdindustri.

– Många akademiker som arbetade för försvarsindustrin var hemligstämplade – det är ett faktum. Nu har mycket hävts – det är också ett faktum. Jag känner Alexander Ivanovich mycket väl: han arbetade med att skapa beräkningsmetoder och metoder för att kyla förbränningskamrarna i olika raketmotorer. Att lösa detta tekniska problem var inte lätt, särskilt när vi började pressa ut den kemiska energin i bränsleblandningen så mycket som möjligt för att få den maximala specifika impulsen, vilket bland annat ökade trycket i förbränningskamrarna till 250 atmosfärer. Låt oss ta vår mest kraftfulla motor - RD-170. Bränsleförbrukning med ett oxidationsmedel - fotogen med flytande syre som går genom motorn - 2,5 ton per sekund. Värmeflöden i den når 50 megawatt per kvadratmeter - det här är en enorm energi. Temperaturen i förbränningskammaren är 3, 5 tusen grader Celsius. Det var nödvändigt att ta fram en speciell kylning för förbränningskammaren så att den kunde fungera uträknat och tåla det termiska huvudet. Alexander Ivanovich gjorde just det, och jag måste säga att han gjorde ett utmärkt jobb. Vitaly Mikhailovich Ievlev - Motsvarande medlem av den ryska vetenskapsakademin, doktor i tekniska vetenskaper, professor, som tyvärr dog ganska tidigt, - var en vetenskapsman av den bredaste profilen, hade en encyklopedisk kunskap. Liksom Leontiev arbetade han mycket med metodiken för att beräkna termiska strukturer med hög spänning. Deras arbete korsade varandra någonstans, någonstans var de integrerade, och som ett resultat erhölls en utmärkt metod med vilken det är möjligt att beräkna värmeintensiteten för alla förbränningskammare; nu kanske alla elever kan använda det. Dessutom deltog Vitaly Mikhailovich aktivt i utvecklingen av nukleära plasmaraketmotorer. Här korsades våra intressen under åren då Energomash gjorde detsamma.

- I vårt samtal med Leontyev berörde vi försäljningen av RD-180 energomash-motorerna i USA, och Alexander Ivanovich sa att denna motor på många sätt är resultatet av utvecklingar som gjordes precis under skapandet av RD-170, och på sätt och vis hälften. Är detta verkligen resultatet av backskalningen?

– Vilken motor som helst i en ny dimension är förstås en ny apparat. RD-180 med en dragkraft på 400 ton är faktiskt hälften så stor som RD-170 med en dragkraft på 800 ton. RD-191, designad för vår nya Angara-raket, har en dragkraft på 200 ton. Vad har dessa motorer gemensamt? Alla har en turbopump, men RD-170 har fyra förbränningskammare, den "amerikanska" RD-180 har två och RD-191 har en. Varje motor behöver sin egen turbopumpenhet - trots allt, om fyrkammaren RD-170 förbrukar cirka 2,5 ton bränsle per sekund, för vilken en turbopump med en kapacitet på 180 tusen kilowatt utvecklades, vilket är mer än två gånger högre än till exempel reaktorkraften hos den atomära isbrytaren "Arktika", då tvåkammaren RD-180 - bara hälften, 1, 2 ton. I utvecklingen av turbopumpar för RD-180 och RD-191 deltog jag direkt och ledde samtidigt skapandet av dessa motorer som helhet.

– Så förbränningskammaren är densamma på alla dessa motorer, bara deras antal är olika?

– Ja, och det här är vår främsta bedrift. I en sådan kammare med en diameter på endast 380 millimeter förbränns lite mer än 0,6 ton bränsle per sekund. Utan att överdriva är denna kamera en unik högvärmestressutrustning med speciella bälten för att skydda mot kraftfulla värmeflöden. Skydd utförs inte bara på grund av extern kylning av kammarväggarna, utan också på grund av en genialisk metod att "fodra" en bränslefilm på dem, som avdunstar och kyler väggen. På basis av denna enastående kamera, som inte har någon motsvarighet i världen, tillverkar vi våra bästa motorer: RD-170 och RD-171 för Energia och Zenit, RD-180 för den amerikanska Atlas och RD-191 för den nya ryska missilen "Angara".

- "Angara" var tänkt att ersätta "Proton-M" för flera år sedan, men skaparna av raketen stod inför allvarliga problem, de första flygtesterna sköts upp upprepade gånger, och projektet verkar fortsätta att stanna.

– Det var verkligen problem. Ett beslut har nu tagits om att skjuta upp raketen 2013. Det speciella med Angara är att det, på basis av dess universella raketmoduler, är möjligt att skapa en hel familj av bärraketer med en nyttolastkapacitet på 2,5 till 25 ton för att skjuta upp last i en låg omloppsbana på jorden på basis av RD-191 universell syrgas-fotogenmotor. Angara-1 har en motor, Angara-3 - tre med en total dragkraft på 600 ton, Angara-5 kommer att ha 1000 ton dragkraft, det vill säga den kommer att kunna sätta mer last i omloppsbana än Proton. Dessutom använder vi i stället för den mycket giftiga heptylen, som förbränns i Proton-motorerna, miljövänligt bränsle, varefter bara vatten och koldioxid återstår.

– Hur kom det sig att samma RD-170, som skapades redan i mitten av 1970-talet, fortfarande i själva verket är en innovativ produkt, och dess teknologier används som grund för nya raketmotorer?

- En liknande historia hände med ett flygplan skapat efter andra världskriget av Vladimir Mikhailovich Myasishchev (ett långdistansstrategisk bombplan av M-serien, utvecklat av Moskva OKB-23 på 1950-talet - "Expert"). Planet var i många avseenden trettio år före sin tid, och delarna i dess design lånades då av andra flygplanstillverkare. Så det är här: i RD-170 finns det många nya element, material, designlösningar. Enligt mina uppskattningar kommer de inte att bli föråldrade på flera decennier till. Detta beror främst på grundaren av NPO Energomash och dess generaldesigner Valentin Petrovich Glushko och korresponderande medlem av den ryska vetenskapsakademin Vitaly Petrovich Radovsky, som ledde företaget efter Glushkos död. (Observera att världens bästa energi- och driftsegenskaper hos RD-170 till stor del beror på Katorgins lösning på problemet med att undertrycka högfrekvent förbränningsinstabilitet genom att utveckla antipulsationsbafflar i samma förbränningskammare. - "Expert".) Och den första -stegs RD-253 motor för bärraket "Proton"? Den introducerades redan 1965 och är så perfekt att den ännu inte har överträffats av någon. Det var så Glushko lärde sig att designa - på gränsen för det möjliga och alltid över världsgenomsnittet. Det är också viktigt att komma ihåg en annan sak: landet har investerat i sin tekniska framtid. Hur var det i Sovjetunionen? Ministeriet för allmän maskinbyggnad, som i synnerhet hade ansvaret för rymden och raketerna, spenderade 22 procent av sin enorma budget enbart på FoU - på alla områden, inklusive framdrivning. Idag är forskningsfinansieringen mycket mindre och det säger en del.

- Är inte uppnåendet av några perfekta egenskaper med dessa raketmotorer, och detta hände för ett halvt sekel sedan, att en raketmotor med en kemisk energikälla i någon mening är föråldrad: de viktigaste upptäckterna har gjorts i nya generationer av raketmotorer, nu pratar vi mer om de så kallade stödjande innovationerna??

- Absolut inte. Raketmotorer för flytande drivmedel är efterfrågade och kommer att efterfrågas under mycket lång tid, eftersom ingen annan teknik kan på ett mer tillförlitligt och ekonomiskt sätt lyfta en last från jorden och placera den i en låg omloppsbana om jorden. De är miljövänliga, särskilt de som drivs på flytande syre och fotogen. Men för flygningar till stjärnor och andra galaxer är raketmotorer med flytande drivmedel naturligtvis helt olämpliga. Massan av hela metagalaxen är 10 till 56 grader av gram. För att accelerera på en motor med flytande drivmedel till minst en fjärdedel av ljusets hastighet krävs en helt otrolig mängd bränsle - 10 till 3200 gram, så att ens tänka på det är dumt. Raketmotorn för flytande drivmedel har sin egen nisch - sustainer-motorer. På vätskemotorer kan du accelerera bäraren till den andra kosmiska hastigheten, flyga till Mars, och det är allt.

- Nästa steg - kärnraketmotorer?

- Absolut. Det är inte känt om vi kommer att leva för att se några av etapperna, men mycket har gjorts för utvecklingen av kärnkraftsdrivna raketmotorer redan under sovjettiden. Nu, under ledning av Keldysh Center, som leds av akademikern Anatoly Sazonovich Koroteev, utvecklas den så kallade transport- och energimodulen. Konstruktörerna kom fram till att det är möjligt att skapa en gaskyld kärnreaktor som är mindre stressande än den var i Sovjetunionen, som kommer att fungera både som ett kraftverk och som en energikälla för plasmamotorer när de reser i rymden. En sådan reaktor designas nu vid NIKIET uppkallad efter N. A. Dollezhal under ledning av motsvarande medlem av den ryska vetenskapsakademin Yuri Dragunov. Kaliningrads designbyrå "Fakel" deltar också i projektet, där elektriska framdrivningsmotorer skapas. Som i sovjettiden kommer det inte att klara sig utan Voronezh Design Bureau of Chemical Automatics, där gasturbiner och kompressorer kommer att tillverkas för att driva en kylvätska - en gasblandning i en sluten slinga.

– Under tiden, ska vi till raketmotorn?

– Naturligtvis, och vi ser tydligt utsikterna för vidareutvecklingen av dessa motorer. Det finns taktiska, långsiktiga uppgifter, det finns ingen gräns här: införandet av nya, mer värmebeständiga beläggningar, nya kompositmaterial, en minskning av motormassan, en ökning av deras tillförlitlighet och en förenkling av kontrollen schema. Ett antal element kan införas för att bättre kontrollera slitaget på delar och andra processer som förekommer i motorn. Det finns strategiska uppgifter: till exempel utveckling av flytande metan och acetylen som bränsle tillsammans med ammoniak eller trekomponentsbränsle. NPO Energomash utvecklar en trekomponentsmotor. En sådan raketmotor med flytande drivmedel skulle kunna användas som motor för både det första och andra steget. I det första steget använder den välutvecklade komponenter: syre, flytande fotogen, och om du lägger till cirka fem procent mer väte, kommer den specifika impulsen att öka avsevärt - en av motorns viktigaste energiegenskaper, vilket innebär att mer nyttolast kan skickas ut i rymden. I det första steget produceras all fotogen med tillsats av väte, och i det andra växlar samma motor från drift på trekomponentbränsle till en tvåkomponent - väte och syre.

Vi har redan skapat en experimentell motor, om än av en liten dimension och en dragkraft på endast cirka 7 ton, genomfört 44 tester, gjort fullskaliga blandningselement i munstyckena, i gasgeneratorn, i förbränningskammaren och fått reda på att du kan först arbeta med tre komponenter och sedan smidigt byta till två. Allt fungerar, en hög förbränningseffektivitet uppnås, men för att gå längre behöver vi ett större prov, vi måste modifiera stativen för att lansera komponenterna som vi ska använda i en riktig motor i förbränningskammaren: flytande väte och syre, samt fotogen. Jag tycker att det här är en mycket lovande riktning och ett stort steg framåt. Och jag hoppas hinna göra något under min livstid.

- Varför har amerikanerna, efter att ha fått rätten att reproducera RD-180, inte kunnat göra det på många år?

– Amerikaner är väldigt pragmatiska. Redan på 1990-talet, i början av sitt arbete med oss, insåg de att på energiområdet var vi långt före dem och vi var tvungna att anta dessa teknologier från oss. Till exempel kunde vår RD-170-motor i en start, på grund av en högre specifik impuls, ta ut en nyttolast två ton mer än deras mest kraftfulla F-1, vilket på den tiden innebar 20 miljoner dollar i vinst. De utlyste en tävling om en 400-tons motor för sina Atlaser, som vanns av vår RD-180. Då trodde amerikanerna att de skulle börja arbeta med oss och om fyra år skulle de ta vår teknologi och reproducera dem själva. Jag sa genast till dem: ni kommer att spendera mer än en miljard dollar och tio år. Fyra år har gått och de säger: ja, det behövs sex år. Fler år har gått, de säger: nej, vi behöver åtta år till. Sjutton år har gått, och de har inte reproducerat en enda motor. De behöver nu miljarder dollar bara för bänkutrustning. På Energomash har vi montrar där samma RD-170-motor kan testas i en tryckkammare vars jeteffekt når 27 miljoner kilowatt.

– Jag hörde rätt – 27 gigawatt? Detta är mer än den installerade kapaciteten för alla Rosatom kärnkraftverk.

– Tjugosju gigawatt är kraften i jetplanet, som utvecklas på relativt kort tid. Vid tester på stativet släcks strålens energi först i en speciell pool, sedan i ett spridningsrör 16 meter i diameter och 100 meter högt. Det krävs mycket pengar för att bygga en testbänk som denna som kan hysa en motor som genererar sådan kraft. Amerikanerna har nu gett upp detta och tar den färdiga produkten. Som ett resultat av detta säljer vi inte råvaror, utan en produkt med ett enormt mervärde, där mycket intellektuellt arbete investeras. Tyvärr är detta i Ryssland ett sällsynt exempel på högteknologisk försäljning utomlands i en så stor volym. Men detta bevisar att vi med rätt formulering av frågan är kapabla till mycket.

- Boris Ivanovich, vad ska göras för att inte tappa försprånget från den sovjetiska raketmotorbyggnaden? Förmodligen, förutom bristen på finansiering för FoU, är ett annat problem också mycket smärtsamt - personal?

– För att stanna på världsmarknaden måste man gå framåt hela tiden, skapa nya produkter. Tydligen, tills slutet av oss trycktes ner och åskan slog till. Men staten måste inse att utan ny utveckling kommer den att befinna sig i marginalerna på världsmarknaden, och idag, i denna övergångsperiod, medan vi ännu inte har vuxit till normal kapitalism, måste den först och främst investera i det nya - staten. Sedan kan man överföra utvecklingen för release av en serie till ett privat företag på villkor som är fördelaktiga för både staten och näringslivet. Jag tror inte att det är omöjligt att komma på rimliga metoder för att skapa något nytt, utan dem är det värdelöst att prata om utveckling och innovationer.

Det finns personal. Jag är chef för en avdelning på Moskva Aviation Institute, där vi utbildar både motorspecialister och laserspecialister. Killarna är smarta, de vill göra affärerna de lär sig, men du måste ge dem en normal initial impuls så att de inte lämnar, som många gör nu, för att skriva program för att distribuera varor i butiker. För detta är det nödvändigt att skapa en lämplig laboratoriemiljö, för att ge en anständig lön. Bygg den korrekta strukturen för interaktion mellan vetenskap och utbildningsministeriet. Samma Vetenskapsakademi löser många frågor som rör personalutbildning. Faktum är att bland de nuvarande medlemmarna i akademin, motsvarande medlemmar, finns det många specialister som leder högteknologiska företag och forskningsinstitut, kraftfulla designbyråer. De är direkt intresserade av de avdelningar som tilldelats deras organisationer för att utbilda de nödvändiga specialisterna inom teknik, fysik, kemi, så att de omedelbart får inte bara en specialiserad universitetsexamen, utan en färdig specialist med lite liv och vetenskaplig och teknisk erfarenhet. Det har alltid varit så här: de bästa specialisterna föddes i institut och företag där utbildningsavdelningar fanns. På Energomash och på NPO Lavochkin har vi avdelningar för grenen av Moskva Aviation Institute "Kometa", som jag är ansvarig. Det finns gamla kadrer som kan föra upplevelsen vidare till de unga. Men det är väldigt lite tid kvar, och förlusterna kommer att vara oåterkalleliga: för att helt enkelt återgå till den nuvarande nivån måste du lägga mycket mer ansträngning än vad som behövs idag för att upprätthålla den.