Zašto Amerikanci ne mogu napraviti svemirske motore?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Tvorac najboljih svjetskih raketnih motora na tekuće gorivo, akademik Boris Katorgin, objašnjava zašto Amerikanci još uvijek ne mogu ponoviti naša dostignuća u ovoj oblasti i kako zadržati sovjetsku prednost u budućnosti.

21. juna, na Ekonomskom forumu u Sankt Peterburgu, dodijeljene su nagrade dobitnicima Global Energy Prize. Autoritativna komisija industrijskih stručnjaka iz različitih zemalja odabrala je tri prijave od 639 podnesenih i imenovala dobitnike nagrade za 2012. koja se obično naziva "Nobelova nagrada za elektroenergetike". Kao rezultat toga, 33 miliona premium rubalja ove godine su podijelili poznati pronalazač iz Velike Britanije, profesor Rodney John Allam, i dva naša istaknuta naučnika - akademici Ruske akademije nauka Boris Katorgin i Valery Kostyuk.

Sva tri vezana su za stvaranje kriogenih tehnologija, proučavanje svojstava kriogenih proizvoda i njihovu primjenu u raznim elektranama. Akademik Boris Katorgin nagrađen je „za razvoj visokoefikasnih raketnih motora na tečno gorivo na kriogena goriva, koji obezbeđuju pouzdan rad svemirskih sistema sa visokim energetskim parametrima za mirno korišćenje svemira“. Uz direktno učešće Katorgina, koji je više od pedeset godina posvetio preduzeću OKB-456, sada poznatom kao NPO Energomash, stvoreni su raketni motori na tečno gorivo (LRE), čije se performanse i danas smatraju najboljim u svijetu. Sam Katorgin se bavio razvojem shema za organizaciju radnog procesa u motorima, formiranjem mješavine komponenti goriva i otklanjanjem pulsiranja u komori za sagorijevanje. Poznati su i njegov temeljni rad na nuklearnim raketnim motorima (NRE) sa visokim specifičnim impulsom i dostignuća u oblasti stvaranja moćnih kontinuiranih hemijskih lasera.

U najtežim vremenima za ruske naučno-intenzivne organizacije, od 1991. do 2009. godine, Boris Katorgin je bio na čelu NPO Energomash, kombinujući pozicije generalnog direktora i generalnog projektanta, i uspeo je ne samo da zadrži kompaniju, već i da stvori niz novih motori. Nedostatak interne narudžbe za motore primorao je Katorgin da potraži kupca na vanjskom tržištu. Jedan od novih motora bio je RD-180, razvijen 1995. godine specijalno za učešće na tenderu koji je organizovala američka korporacija Lockheed Martin, a koja je izabrala raketni motor na tečno gorivo za raketu-nosač Atlas koji se u to vreme nadograđuje. Kao rezultat toga, NPO Energomash je potpisao ugovor o nabavci 101 motora i do početka 2012. godine već je isporučio više od 60 raketnih motora u Sjedinjene Američke Države, od kojih je 35 uspješno radilo na Atlasu u lansiranju satelita za različite namjene..

Prije dodjele nagrade, Ekspert je razgovarao sa akademikom Borisom Katorginom o stanju i perspektivama razvoja raketnih motora na tečno gorivo i saznao zašto se motori bazirani na razvoju od prije četrdesetak godina i dalje smatraju inovativnim, a RD-180 nije mogao biti rekreiran u američkim fabrikama.

- Borise Ivanoviču, šta je tačno vaša zasluga u stvaranju domaćih mlaznih motora na tečno gorivo, koji se danas smatraju najboljima na svetu?

- Da biste ovo objasnili laiku, vjerovatno vam je potrebna posebna vještina. Za raketne motore na tečno gorivo razvio sam komore za sagorevanje, gasne generatore; općenito, nadgledao je stvaranje samih motora za mirno istraživanje svemira. (U komorama za sagorevanje mešaju se i sagorevaju gorivo i oksidator, a stvara se zapremina vrelih gasova, koji potom izbačeni kroz mlaznice stvaraju stvarni mlazni potisak; generatori gasa takođe sagorevaju mešavinu goriva, ali već za rad turbo pumpi, koje pumpaju gorivo i oksidant pod ogromnim pritiskom u istu komoru za sagorevanje. - "Stručnjak".)

- Govorite o mirnom istraživanju svemira, iako je očigledno da su svi motori potiska od nekoliko desetina do 800 tona, koji su napravljeni u NPO Energomaš, bili namenjeni prvenstveno vojnim potrebama.

- Nismo morali da bacimo nijednu atomsku bombu, nismo isporučili ni jedno nuklearno punjenje naših projektila do cilja, i hvala Bogu. Sav vojni razvoj otišao je u mirni prostor. Možemo biti ponosni na ogroman doprinos naše raketne i svemirske tehnologije razvoju ljudske civilizacije. Zahvaljujući astronautici, rođeni su čitavi tehnološki klasteri: svemirska navigacija, telekomunikacije, satelitska televizija i senzorski sistemi.

- Motor za interkontinentalnu balističku raketu R-9, na kojoj ste radili, tada je bio osnova gotovo čitavog našeg programa sa posadom.

- Još krajem 1950-ih izvršio sam računske i eksperimentalne radove na poboljšanju formiranja smeše u komorama za sagorevanje motora RD-111, koji je bio namenjen upravo toj raketi. Rezultati rada se još uvijek koriste u modificiranim motorima RD-107 i RD-108 za istu raketu Sojuz, na kojima je obavljeno oko dvije hiljade svemirskih letova, uključujući sve programe s ljudskom posadom.

- Pre dve godine intervjuisao sam vašeg kolegu, laureata globalne energije, akademika Aleksandra Leontjeva. U razgovoru o specijalistima zatvorenim za širu javnost, što je i sam Leontjev nekada bio, pomenuo je Vitalija Ievljeva, koji je takođe učinio mnogo za našu svemirsku industriju.

- Mnogi akademici koji su radili za odbrambenu industriju su klasifikovani - to je činjenica. Sada je mnogo toga skinuto povjerljivo - i to je činjenica. Poznajem Aleksandra Ivanoviča veoma dobro: radio je na stvaranju proračunskih metoda i metoda za hlađenje komora za sagorevanje raznih raketnih motora. Rješavanje ovog tehnološkog problema nije bilo lako, posebno kada smo počeli što više istiskivati kemijsku energiju mješavine goriva da bismo dobili maksimalni specifični impuls, povećavajući, između ostalog, pritisak u komorama za sagorijevanje na 250 atmosfera. Uzmimo naš najmoćniji motor - RD-170. Potrošnja goriva sa oksidantom - kerozin sa tečnim kiseonikom koji prolazi kroz motor - 2,5 tona u sekundi. Toplotni tokovi u njemu dosežu 50 megavata po kvadratnom metru - to je ogromna energija. Temperatura u komori za sagorevanje je 3,5 hiljada stepeni Celzijusa. Bilo je potrebno osmisliti posebno hlađenje za komoru za sagorijevanje kako bi mogla raditi proračunano i izdržati termičku glavu. Aleksandar Ivanovič je upravo to uradio i, moram reći, uradio je odličan posao. Vitalij Mihajlovič Ievlev - dopisni član Ruske akademije nauka, doktor tehničkih nauka, profesor, koji je, nažalost, umro prilično rano, - bio je naučnik najšireg profila, posedovao je enciklopedijsku erudiciju. Kao i Leontiev, on je dosta radio na metodologiji za proračun toplotnih struktura visokog napona. Njihov rad se negdje ukrštao, negdje su se integrisali, i kao rezultat je dobijena odlična metoda kojom je moguće izračunati toplotni intenzitet bilo koje komore za sagorevanje; sada, možda, koristeći ga, svaki student to može učiniti. Osim toga, Vitalij Mihajlovič je aktivno učestvovao u razvoju nuklearnih, plazma raketnih motora. Tu su se naši interesi ukrštali u godinama kada je Energomaš radio isto.

- U razgovoru sa Leontjevom dotakli smo se prodaje motora RD-180 energomaš u SAD, a Aleksandar Ivanovič je rekao da je ovaj motor u mnogome rezultat razvoja koji su napravljeni upravo tokom stvaranja RD-170., i u nekom smislu to pola. Je li ovo stvarno rezultat skaliranja?

- Svaki motor u novoj dimenziji je, naravno, novi aparat. RD-180 sa potiskom od 400 tona je zapravo upola manji od RD-170 sa potiskom od 800 tona. RD-191, dizajniran za našu novu raketu Angara, ima potisak od 200 tona. Šta je zajedničko ovim motorima? Svi imaju jednu turbo pumpu, ali RD-170 ima četiri komore za sagorevanje, "američki" RD-180 ima dve, a RD-191 jednu. Svaki motor treba svoju turbo pumpu - uostalom, ako četverokomorni RD-170 troši oko 2,5 tone goriva u sekundi, za koju je razvijena turbo pumpa kapaciteta 180 hiljada kilovata, što je više od dva puta veća od, na primjer, snage reaktora atomskog ledolomca "Arktika", zatim dvokomornog RD-180 - samo pola, 1,2 tone. U razvoju turbo pumpi za RD-180 i RD-191 direktno sam učestvovao i istovremeno vodio stvaranje ovih motora u celini.

- Dakle, komora za sagorevanje je ista na svim ovim motorima, samo je njihov broj različit?

- Da, i ovo je naše glavno dostignuće. U jednoj takvoj komori prečnika od samo 380 milimetara sagorijeva se nešto više od 0,6 tona goriva u sekundi. Bez pretjerivanja, ova kamera je jedinstvena oprema koja je izložena visokim temperaturama sa posebnim pojasevima za zaštitu od snažnih toplotnih tokova. Zaštita se ostvaruje ne samo zbog vanjskog hlađenja zidova komore, već i zbog genijalne metode "oblaganja" gorivnog filma na njih, koji isparava i hladi zid. Na osnovu ove izvanredne kamere, kojoj nema ravnih u svetu, proizvodimo naše najbolje motore: RD-170 i RD-171 za Energiju i Zenit, RD-180 za američki Atlas i RD-191 za novu rusku raketu "Angara".

- "Angara" je trebalo da zameni "Proton-M" pre nekoliko godina, ali su se kreatori rakete suočili sa ozbiljnim problemima, prvi letni testovi su više puta odlagani, a projekat izgleda i dalje koči.

- Stvarno je bilo problema. Sada je donesena odluka da se raketa lansira 2013. godine. Posebnost Angare je u tome što je na osnovu njenih univerzalnih raketnih modula moguće stvoriti čitavu porodicu lansirnih vozila nosivosti od 2,5 do 25 tona za lansiranje tereta u nisku orbitu na bazi RD-191 univerzalni motor za kiseonik i kerozin. Angara-1 ima jedan motor, Angara-3 - tri sa ukupnim potiskom od 600 tona, Angara-5 će imati 1000 tona potiska, odnosno moći će da izbaci više tereta u orbitu od Protona. Osim toga, umjesto vrlo toksičnog heptila, koji se sagorijeva u Proton motorima, koristimo ekološki prihvatljivo gorivo, nakon čega ostaju samo voda i ugljični dioksid.

- Kako se dogodilo da isti RD-170, koji je nastao sredinom sedamdesetih, i dalje ostaje, zapravo, inovativan proizvod, a njegove tehnologije se koriste kao osnova za nove raketne motore?

- Slična priča se desila i sa avionom koji je posle Drugog svetskog rata kreirao Vladimir Mihajlovič Mjasičev (strateški bombarder velikog dometa serije M, koji je razvio moskovski OKB-23 iz 1950-ih - "Ekpert"). Avion je u mnogo čemu bio tridesetak godina ispred svog vremena, a elemente njegovog dizajna tada su posuđivali drugi proizvođači aviona. Tako je i ovdje: u RD-170 ima puno novih elemenata, materijala, dizajnerskih rješenja. Prema mojim procjenama, neće zastarjeti još nekoliko decenija. Za to su prvenstveno zaslužni osnivač NPO Energomash i njen generalni projektant Valentin Petrovič Gluško i dopisni član Ruske akademije nauka Vitalij Petrovič Radovski, koji je bio na čelu kompanije nakon Gluškove smrti. (Imajte na umu da su najbolje svjetske energetske i operativne karakteristike RD-170 u velikoj mjeri zahvaljujući Katorginovom rješenju problema suzbijanja visokofrekventne nestabilnosti sagorijevanja razvojem antipulzacijskih pregrada u istoj komori za sagorijevanje. - "Stručnjak".) I prvi -stepeni motor RD-253 za raketu-nosač "Proton"? Predstavljen davne 1965. godine, toliko je savršen da ga još niko nije nadmašio. Tako je Gluško učio dizajnirati - na granici mogućeg i uvijek iznad svjetskog prosjeka. Takođe je važno zapamtiti još jednu stvar: zemlja je investirala u svoju tehnološku budućnost. Kako je bilo u Sovjetskom Savezu? Ministarstvo opšte mašinogradnje, koje je posebno bilo zaduženo za svemir i rakete, potrošilo je 22 odsto svog ogromnog budžeta samo na istraživanje i razvoj - u svim oblastima, uključujući i pogon. Danas je finansiranje istraživanja mnogo manje i to mnogo govori.

- Nije li postizanje nekih savršenih kvaliteta ovih raketnih motora, a to se dogodilo prije pola vijeka, da je raketni motor sa hemijskim izvorom energije u nekom smislu zastario: glavna otkrića su napravljena u novim generacijama raketnih motora, sada više govorimo o tzv. podržavajućim inovacijama?

- Sigurno ne. Raketni motori na tečno gorivo su traženi i biće traženi još jako dugo, jer nijedna druga tehnologija nije u stanju da pouzdanije i ekonomičnije podigne teret sa Zemlje i stavi ga u nisku orbitu Zemlje. Oni su ekološki prihvatljivi, posebno oni koji rade na tekućem kisiku i kerozinu. Ali za letove do zvijezda i drugih galaksija, raketni motori na tekuće gorivo, naravno, potpuno su neprikladni. Masa cijele metagalaksije je 10 do 56 stepeni grama. Da bi se motor na tečno gorivo ubrzao do najmanje četvrtine brzine svjetlosti, potrebna je apsolutno nevjerovatna količina goriva - 10 do 3200 grama, pa je i razmišljati o tome glupo. Raketni motor na tečno gorivo ima svoju nišu - nosače motora. Na tečnim motorima možete ubrzati nosač do druge kosmičke brzine, odletjeti na Mars i to je to.

- Sljedeća faza - nuklearni raketni motori?

- Svakako. Ne zna se hoćemo li doživjeti neke od faza, ali mnogo je urađeno za razvoj raketnih motora na nuklearni pogon već u sovjetsko vrijeme. Sada, pod vodstvom Keldysh centra, na čelu sa akademikom Anatolijem Sazonovičem Korotejevim, razvija se takozvani transportni i energetski modul. Dizajneri su došli do zaključka da je moguće stvoriti nuklearni reaktor hlađen plinom koji je manje stresan nego što je bio u SSSR-u, koji će raditi i kao elektrana i kao izvor energije za plazma motore prilikom putovanja u svemir.. Takav reaktor se sada projektuje u NIKIET-u po imenu N. A. Dollezhal pod rukovodstvom dopisnog člana Ruske akademije nauka Jurija Dragunova. U projektu učestvuje i kalinjingradski konstruktorski biro „Fakel“, gde se stvaraju električni pogonski motori. Kao iu sovjetskim vremenima, neće proći bez Voronješkog dizajnerskog biroa za hemijsku automatiku, gdje će se proizvoditi plinske turbine i kompresori za pogon rashladnog sredstva - mješavine plina u zatvorenoj petlji.

- U međuvremenu, idemo li do raketnog motora?

- Naravno, i jasno vidimo izglede za dalji razvoj ovih motora. Postoje taktički, dugoročni zadaci, tu nema granica: uvođenje novih, otpornijih na toplinu premaza, novih kompozitnih materijala, smanjenje mase motora, povećanje njihove pouzdanosti i pojednostavljenje upravljanja shema. Mogu se uvesti brojni elementi za bolju kontrolu trošenja dijelova i drugih procesa koji se dešavaju u motoru. Postoje strateški zadaci: na primjer, razvoj tečnog metana i acetilena kao goriva zajedno sa amonijakom ili trokomponentnim gorivom. NPO Energomash razvija trokomponentni motor. Takav raketni motor na tečno gorivo mogao bi se koristiti kao motor za prvi i drugi stepen. U prvoj fazi koristi dobro razvijene komponente: kiseonik, tečni kerozin, a ako dodate oko pet posto više vodika, tada će se specifični impuls značajno povećati - jedna od glavnih energetskih karakteristika motora, što znači da je veća nosivost može se poslati u svemir. U prvoj fazi se sav kerozin proizvodi dodatkom vodika, a u drugoj isti motor prelazi sa rada na trokomponentno gorivo na dvokomponentno - vodik i kisik.

Već smo napravili eksperimentalni motor, iako male dimenzije i potiska od samo oko 7 tona, izvršili 44 ispitivanja, napravili pune elemente za miješanje u mlaznicama, u plinskom generatoru, u komori za sagorijevanje i otkrili da možete prvo raditi na tri komponente, a zatim glatko preći na dvije. Sve radi, postiže se visoka efikasnost sagorevanja, ali da bismo išli dalje, potreban nam je veći uzorak, potrebno je modifikovati postolja kako bismo komponente koje ćemo koristiti u pravom motoru lansirali u komoru za sagorevanje: tečni vodonik i kiseonik, kao i kerozin. Mislim da je ovo vrlo obećavajući smjer i veliki korak naprijed. I nadam se da ću imati vremena da nešto uradim tokom svog života.

- Zašto Amerikanci, nakon što su dobili pravo na reprodukciju RD-180, već dugi niz godina ne mogu da ga naprave?

- Amerikanci su veoma pragmatični. Devedesetih godina, na samom početku rada sa nama, shvatili su da smo u oblasti energetike daleko ispred njih i te tehnologije moramo preuzeti od nas. Na primjer, naš motor RD-170 u jednom startu, zbog većeg specifičnog impulsa, mogao je podnijeti nosivost dvije tone više od njihovog najmoćnijeg F-1, što je u to vrijeme značilo 20 miliona dolara dobiti. Raspisali su konkurs za motor od 400 tona za svoje atlase na kojem je pobijedio naš RD-180. Tada su Amerikanci mislili da će početi raditi s nama, pa će za četiri godine uzeti naše tehnologije i sami ih reproducirati. Odmah sam im rekao: potrošićete više od milijardu dolara i deset godina. Prošle su četiri godine, a oni kažu: da, potrebno je šest godina. Prošlo je još godina, kažu: ne, treba nam još osam godina. Prošlo je sedamnaest godina, a nisu reproducirali ni jedan motor. Sada su im potrebne milijarde dolara samo za opremu na klupi. U Energomašu imamo štandove na kojima se isti motor RD-170 može testirati u tlačnoj komori, čija snaga mlaza dostiže 27 miliona kilovata.

- Dobro sam čuo - 27 gigavata? Ovo je više od instaliranog kapaciteta svih Rosatomovih NEK.

- Dvadeset sedam gigavata je snaga mlaza, koji se razvija za relativno kratko vreme. Tokom testiranja na štandu, energija mlaza se prvo gasi u posebnom bazenu, a zatim u disperzionoj cevi prečnika 16 metara i visine 100 metara. Potrebno je mnogo novca da se napravi testna klupa kao što je ova u kojoj se može smjestiti motor koji generiše takvu snagu. Amerikanci su sada odustali od toga i uzimaju gotov proizvod. Kao rezultat toga, mi ne prodajemo sirovine, već proizvod sa ogromnom dodatnom vrijednošću, u koji se ulaže visoko intelektualni rad. Nažalost, u Rusiji je ovo rijedak primjer visokotehnološke prodaje u inostranstvu u tako velikom obimu. Ali ovo dokazuje da smo uz ispravnu formulaciju pitanja sposobni za mnogo.

- Borise Ivanoviču, šta treba učiniti da se ne izgubi prednost koju je stekla sovjetska raketna mašina? Vjerovatno je, osim nedostatka sredstava za istraživanje i razvoj, vrlo bolan još jedan problem - kadrovski?

- Da biste ostali na svjetskom tržištu, morate stalno ići naprijed, stvarati nove proizvode. Navodno, sve dok nas kraj nije pritisnuo i grom nije udario. Ali država treba da shvati da će se bez novih dešavanja naći na marginama svetskog tržišta, a danas, u ovom tranzicionom periodu, dok još nismo dorasli normalnom kapitalizmu, mora pre svega da investira u novi - država. Tada možete prenijeti razvoj za izdavanje serije na privatnu kompaniju pod uslovima korisnim i za državu i za poslovanje. Ne vjerujem da je nemoguće smisliti razumne metode stvaranja nečeg novog, bez njih je beskorisno govoriti o razvoju i inovacijama.

Ima osoblja. Ja sam šef katedre na Moskovskom vazduhoplovnom institutu, gdje obučavamo stručnjake za motore i lasere. Momci su pametni, žele da se bave poslom koji uče, ali treba im dati normalan početni impuls da ne odu, kao što mnogi sada rade, da pišu programe za distribuciju robe po prodavnicama. Za to je potrebno stvoriti odgovarajuće laboratorijsko okruženje, dati pristojnu platu. Izgraditi ispravnu strukturu interakcije između nauke i Ministarstva obrazovanja. Ista Akademija nauka rješava mnoga pitanja vezana za obuku kadrova. Zaista, među sadašnjim članovima akademije, dopisnim članovima, ima mnogo stručnjaka koji upravljaju visokotehnološkim preduzećima i istraživačkim institutima, moćnim dizajnerskim biroima. Oni su direktno zainteresovani za odeljenja koja su dodeljena njihovim organizacijama da obrazuju potrebne stručnjake iz oblasti tehnologije, fizike, hemije, tako da odmah dobiju ne samo diplomce specijaliste, već i gotovog specijaliste sa životnim i naučnim i tehničko iskustvo. Oduvijek je bilo tako: najbolji stručnjaci su rođeni u institutima i preduzećima gdje su postojale obrazovne službe. U Energomašu iu NPO Lavočkin imamo odeljenja ogranka Moskovskog vazduhoplovnog instituta „Kometa“, kojima ja rukovodim. Ima starih kadrova koji iskustvo mogu prenijeti na mlade. Ali ostalo je vrlo malo vremena, a gubici će biti nenadoknadivi: da biste se jednostavno vratili na trenutni nivo, morat ćete uložiti mnogo više truda nego što je danas potrebno da ga održite.