Zašto Amerikanci ne mogu napraviti svemirske motore?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

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

21. lipnja 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 inženjere energetike". Kao rezultat toga, 33 milijuna premium rubalja ove godine podijelili su poznati izumitelj iz Velike Britanije, profesor Rodney John Allam, i dva naša istaknuta znanstvenika - akademici Ruske akademije znanosti Boris Katorgin i Valery Kostyuk.

Sva tri vezana su za stvaranje kriogene tehnologije, proučavanje svojstava kriogenih proizvoda i njihovu primjenu u raznim elektranama. Akademik Boris Katorgin nagrađen je "za razvoj visokoučinkovitih raketnih motora s tekućim gorivom na kriogena goriva, koji osiguravaju pouzdan rad svemirskih sustava visokih energetskih parametara za mirno korištenje svemira". Uz izravno sudjelovanje Katorgina, koji je više od pedeset godina posvetio poduzeću OKB-456, sada poznatom kao NPO Energomash, stvoreni su raketni motori na tekuće gorivo (LRE), čija se izvedba još uvijek smatra najboljom na svijetu. Sam Katorgin bio je angažiran na razvoju shema za organizaciju radnog procesa u motorima, formiranje smjese komponenti goriva i uklanjanje pulsiranja u komori za izgaranje. Poznati su i njegov temeljni rad na nuklearnim raketnim motorima (NRE) s visokim specifičnim impulsom i razvojima u području stvaranja moćnih kontinuiranih kemijskih lasera.

U najtežim vremenima za ruske znanstveno-intenzivne organizacije, od 1991. do 2009., Boris Katorgin je bio na čelu NPO Energomash, kombinirajući pozicije generalnog direktora i glavnog projektanta, te uspio ne samo zadržati tvrtku, već i stvoriti niz novih motori. Nedostatak interne narudžbe za motore natjerao je Katorgin da potraži kupca na vanjskom tržištu. Jedan od novih motora bio je RD-180, razvijen 1995. godine posebno za sudjelovanje na natječaju koji je organizirala američka korporacija Lockheed Martin, a koja je odabrala raketni motor na tekuće gorivo za raketu-nosač Atlas koje se u to vrijeme nadograđuje. Kao rezultat toga, NPO Energomash potpisao je ugovor o nabavi 101 motora i do početka 2012. već je isporučio više od 60 raketnih motora u Sjedinjene Američke Države, od kojih je 35 uspješno operirano na Atlasu u lansiranju satelita za različite namjene.

Prije dodjele nagrade Stručnjak je razgovarao s akademikom Borisom Katorginom o stanju i perspektivama razvoja raketnih motora na tekuće gorivo i otkrio zašto se motori temeljeni na razvoju od prije četrdesetak godina još uvijek smatraju inovativnima, a RD-180 nije mogao biti rekreiran u američkim tvornicama.

- Borise Ivanoviču, koja je točno vaša zasluga u stvaranju domaćih mlaznih motora na tekuće gorivo, koji se danas smatraju najboljima na svijetu?

- Da biste to objasnili laiku, vjerojatno vam je potrebna posebna vještina. Za raketne motore na tekuće gorivo razvio sam komore za izgaranje, plinske generatore; općenito, nadzirao je izradu samih motora za mirno istraživanje svemira. (U komorama za izgaranje miješaju se i izgaraju gorivo i oksidans te se stvara volumen vrućih plinova koji, potom izbačeni kroz mlaznice, stvaraju stvarni potisak mlaza; plinski generatori također sagorevaju mješavinu goriva, ali već za rad turbo pumpi, koje pumpaju gorivo i oksidant pod ogromnim pritiskom u istu komoru za izgaranje. - "Stručnjak".)

– Govorite o mirnom istraživanju svemira, iako je očito da su svi motori s potiskom od nekoliko desetaka do 800 tona, koji su nastali u NPO Energomash, bili namijenjeni prvenstveno vojnim potrebama.

– Nismo morali baciti niti jednu atomsku bombu, nismo isporučili niti jedno nuklearno punjenje na našim projektilima 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, senzorski sustavi.

- Motor za interkontinentalni balistički projektil R-9, na kojem ste radili, tada je bio temelj gotovo cijelog našeg programa s posadom.

- Još krajem 1950-ih provodio sam računske i eksperimentalne radove na poboljšanju stvaranja smjese u komorama za izgaranje motora RD-111, koji je bio namijenjen upravo toj raketi. Rezultati rada se još uvijek koriste u modificiranim motorima RD-107 i RD-108 za istu raketu Soyuz, na kojima je izvedeno oko dvije tisuće svemirskih letova, uključujući sve programe s posadom.

- Prije dvije godine intervjuirao sam vašeg kolegu, laureata Global Energy akademika Aleksandra Leontjeva. U razgovoru o specijalistima zatvorenim za širu javnost, što je nekoć bio i sam Leontjev, spomenuo je Vitalija Ievljeva, koji je također učinio mnogo za našu svemirsku industriju.

- Mnogi akademici koji su radili za obrambenu industriju bili su razvrstani - to je činjenica. Sada je mnogo toga skinuto s tajne - i to je činjenica. Poznajem Aleksandra Ivanoviča jako dobro: radio je na stvaranju proračunskih metoda i metoda za hlađenje komora za izgaranje raznih raketnih motora. Rješavanje ovog tehnološkog problema nije bilo jednostavno, pogotovo kada smo kemijsku energiju mješavine goriva počeli što više istiskivati kako bismo dobili maksimalni specifični impuls, povećavajući, između ostalog, tlak u komorama za izgaranje na 250 atmosfera. Uzmimo naš najsnažniji motor - RD-170. Potrošnja goriva s oksidacijskim sredstvom - kerozin s tekućim kisikom koji prolazi kroz motor - 2,5 tona u sekundi. Toplinski tokovi u njemu dosežu 50 megavata po četvornom metru - to je ogromna energija. Temperatura u komori za izgaranje je 3, 5 tisuća stupnjeva Celzija. Bilo je potrebno osmisliti posebno hlađenje za komoru za izgaranje kako bi mogla raditi proračunano i izdržati toplinsku glavu. Aleksandar Ivanovič je upravo to učinio i, moram reći, napravio je izvrstan posao. Vitalij Mihajlovič Ievlev - dopisni član Ruske akademije znanosti, doktor tehničkih znanosti, profesor, koji je, nažalost, umro prilično rano, - bio je znanstvenik najšireg profila, posjedovao je enciklopedijsku erudiciju. Kao i Leontiev, mnogo je radio na metodologiji za proračun toplinskih struktura visokog naprezanja. Njihov se rad negdje presijecao, negdje integrirao, i kao rezultat dobivena je izvrsna metoda kojom je moguće izračunati toplinski intenzitet bilo koje komore za izgaranje; sada, možda, koristeći ga, svaki student to može učiniti. Osim toga, Vitalij Mihajlovič je aktivno sudjelovao u razvoju nuklearnih, plazma raketnih motora. Ovdje su se naši interesi ukrstili u godinama kada je Energomaš radio isto.

- U razgovoru s Leontjevom dotaknuli smo se prodaje RD-180 energomash motora u SAD-u, a Aleksandar Ivanovič je rekao da je ovaj motor u mnogočemu rezultat razvoja koji su napravljeni upravo tijekom stvaranja RD-170, i u nekom smislu to pola. Je li to stvarno rezultat backscalinga?

- Svaki motor u novoj dimenziji je, naravno, novi aparat. RD-180 s potiskom od 400 tona zapravo je upola manji od RD-170 s potiskom od 800 tona. RD-191, dizajniran za našu novu raketu Angara, ima potisak od 200 tona. Što je zajedničko ovim motorima? Svi imaju jednu turbo pumpu, ali RD-170 ima četiri komore za izgaranje, "američki" RD-180 ima dvije, a RD-191 jednu. Svaki motor treba svoju turbo pumpnu jedinicu - uostalom, ako četverokomorni RD-170 troši oko 2,5 tona goriva u sekundi, za što je razvijena turbo pumpa kapaciteta 180 tisuća 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 izravno sam sudjelovao i istovremeno vodio stvaranje ovih motora u cjelini.

- Dakle, komora za izgaranje je ista na svim tim motorima, samo im je broj različit?

- Da, i ovo je naš glavni uspjeh. U jednoj takvoj komori promjera samo 380 milimetara sagorijeva se nešto više od 0,6 tona goriva u sekundi. Bez pretjerivanja, ova kamera je jedinstvena oprema s visokim toplinskim stresom s posebnim pojasevima za zaštitu od snažnih toplinskih tokova. Zaštita se provodi ne samo zbog vanjskog hlađenja stijenki komore, već i zbog genijalne metode "oblaganja" filma goriva na njih, koji isparava i hladi stijenku. Na temelju ove izvanredne kamere, kojoj nema ravne u svijetu, 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 trebala zamijeniti "Proton-M" prije nekoliko godina, ali su se tvorci rakete suočili s ozbiljnim problemima, prvi letni testovi su više puta odgađani, a čini se da projekt 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 temelju njenih univerzalnih raketnih modula moguće stvoriti cijelu obitelj lansirnih vozila nosivosti od 2,5 do 25 tona za lansiranje tereta u nisku orbitu na temelju RD-191 univerzalni motor za kisik i kerozin. Angara-1 ima jedan motor, Angara-3 - tri s ukupnim potiskom od 600 tona, Angara-5 će imati 1000 tona potiska, odnosno moći će staviti više tereta u orbitu od Protona. Osim toga, umjesto vrlo toksičnog heptila, koji se sagorijeva u Protonovim motorima, koristimo ekološki prihvatljivo gorivo, nakon čega ostaju samo voda i ugljični dioksid.

- Kako se dogodilo da isti taj RD-170, koji je nastao još sredinom 1970-ih, i dalje ostaje, zapravo, inovativan proizvod, a njegove tehnologije se koriste kao osnova za nove raketne motore?

- Slična priča dogodila se i sa zrakoplovom koji je nakon Drugoga svjetskog rata stvorio Vladimir Mihajlovič Mjasičev (dalekometni strateški bombarder serije M, koji je razvio moskovski OKB-23 iz 1950-ih - "Expert"). Zrakoplov je u mnogočemu bio tridesetak godina ispred svog vremena, a elemente njegovog dizajna tada su posuđivali drugi proizvođači zrakoplova. Tako je i ovdje: u RD-170 ima puno novih elemenata, materijala, dizajnerskih rješenja. Prema mojim procjenama, neće zastarjeti još nekoliko desetljeća. Za to su prvenstveno zaslužni osnivač NPO Energomash i njegov generalni projektant Valentin Petrovič Glushko i dopisni član Ruske akademije znanosti Vitalij Petrovič Radovsky, koji je bio na čelu tvrtke nakon Gluškove smrti. (Imajte na umu da su najbolje svjetske energetske i operativne karakteristike RD-170 u velikoj mjeri zaslužne za Katorginovo rješenje problema suzbijanja visokofrekventne nestabilnosti izgaranja razvojem antipulzacijskih pregrada u istoj komori za izgaranje. - "Stručnjak".) I prvi -stepeni motor RD-253 za raketu-nosač "Proton"? Predstavljen davne 1965. godine, toliko je savršen da ga još nitko nije nadmašio. Tako je Glushko učio dizajnirati - na granici mogućeg i uvijek iznad svjetskog prosjeka. Također je važno zapamtiti još jednu stvar: zemlja je uložila u svoju tehnološku budućnost. Kako je bilo u Sovjetskom Savezu? Ministarstvo opće strojogradnje, koje je posebno bilo zaduženo za svemir i rakete, potrošilo je 22 posto svog ogromnog proračuna samo na istraživanje i razvoj - u svim područjima, uključujući pogon. Danas je financiranje istraživanja puno manje i to puno govori.

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

- Sigurno ne. Raketni motori na tekuće gorivo traženi su i bit će traženi još jako dugo, jer nijedna druga tehnologija ne može pouzdanije i ekonomičnije podići teret sa Zemlje i staviti 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 stupnjeva grama. Da bi se na tekući pogon ubrzao na barem četvrtinu brzine svjetlosti potrebna je apsolutno nevjerojatna količina goriva - 10 do 3200 grama, pa je i razmišljati o tome glupo. Raketni motor s tekućim gorivom ima svoju nišu - nosače motora. Na tekućim motorima možete ubrzati nosač do druge kozmičke brzine, odletjeti na Mars i to je to.

- Sljedeća faza - nuklearni raketni motori?

- Sigurno. Ne zna se hoćemo li doživjeti neke od faza, ali mnogo je učinjeno za razvoj raketnih motora na nuklearni pogon već u sovjetsko vrijeme. Sada, pod vodstvom Keldysh centra, na čelu s akademikom Anatolijem Sazonovičem Korotejevim, razvija se takozvani transportni i energetski modul. Dizajneri su došli do zaključka da je moguće stvoriti plinski hlađeni nuklearni reaktor 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 se reaktor sada projektira u NIKIET-u imena N. A. Dollezhal pod vodstvom člana dopisnog člana Ruske akademije znanosti Jurija Dragunova. U projektu sudjeluje i kalinjingradski projektantski biro "Fakel", gdje se stvaraju električni pogonski motori. Kao iu sovjetskim vremenima, neće proći bez Voronješkog dizajnerskog ureda za kemijsku automatiku, gdje će se proizvoditi plinske turbine i kompresori za pogon rashladne tekućine - mješavine plina u zatvorenoj petlji.

- U međuvremenu, idemo li na raketni motor?

- Naravno, i jasno vidimo izglede za daljnji razvoj ovih motora. Postoje taktički, dugoročni zadaci, ovdje nema ograničenja: uvođenje novih, otpornijih na toplinu premaza, novih kompozitnih materijala, smanjenje mase motora, povećanje njihove pouzdanosti i pojednostavljenje upravljanja shema. Može se uvesti niz elemenata za bolju kontrolu trošenja dijelova i drugih procesa koji se događaju u motoru. Postoje strateški zadaci: na primjer, razvoj ukapljenog metana i acetilena kao goriva zajedno s amonijakom ili trokomponentnim gorivom. NPO Energomash razvija trokomponentni motor. Takav raketni motor na tekuće gorivo mogao bi se koristiti kao motor za prvi i drugi stupanj. U prvoj fazi koristi dobro razvijene komponente: kisik, tekući 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 s rada na trokomponentno gorivo na dvokomponentno - vodik i kisik.

Već smo izradili 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 izgaranje i otkrili da možete prvo raditi na tri komponente, a zatim glatko prijeći na dvije. Sve ide, postiže se visoka učinkovitost izgaranja, ali da bismo išli dalje, potreban nam je veći uzorak, moramo modificirati postolja kako bismo komponente koje ćemo koristiti u pravom motoru lansirati u komoru za izgaranje: tekući vodik i kisik, kao i kerozin. Mislim da je ovo vrlo obećavajući smjer i veliki iskorak. I nadam se da ću za života imati vremena nešto napraviti.

- Zašto Amerikanci, nakon što su dobili pravo na reprodukciju RD-180, već dugi niz godina to nisu mogli napraviti?

- Amerikanci su vrlo pragmatični. Devedesetih, na samom početku rada s nama, shvatili su da smo u energetskom području daleko ispred njih i te tehnologije moramo preuzeti od nas. Primjerice, 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 milijuna dolara dobiti. Raspisali su natječaj 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: potrošit ćete 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 niti 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 doseže 27 milijuna kilovata.

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

- Dvadeset sedam gigavata je snaga mlaza, koji se razvija u relativno kratkom vremenu. Tijekom ispitivanja na stalku, energija mlaza se najprije gasi u posebnom bazenu, zatim u disperzijskoj cijevi promjera 16 metara i visine 100 metara. Potrebno je puno novca da se napravi testni stol kao što je ovaj u koji se može smjestiti motor koji proizvodi takvu snagu. Amerikanci su sada odustali od toga i uzimaju gotov proizvod. Kao rezultat toga, ne prodajemo sirovine, već proizvod s ogromnom dodanom vrijednošću, u koji se ulaže visoko intelektualni rad. Nažalost, u Rusiji je to rijedak primjer visokotehnološke prodaje u inozemstvu u tako velikom obimu. Ali to dokazuje da smo uz točnu formulaciju pitanja sposobni za mnogo.

- Borise Ivanoviču, što treba učiniti da se ne izgubi prednost koju je stekla sovjetska zgrada raketnog motora? Vjerojatno je, osim nedostatka sredstava za istraživanje i razvoj, vrlo bolan i još jedan problem - kadrovski?

– Da biste ostali na svjetskom tržištu, morate cijelo vrijeme ići naprijed, stvarati nove proizvode. Navodno, sve dok nas kraj nije pritisnuo i grom nije udario. Ali država treba shvatiti da će se bez novih zbivanja naći na marginama svjetskog tržišta, a danas, u ovom tranzicijskom razdoblju, dok još nismo dorasli normalnom kapitalizmu, mora prije svega ulagati u novi - država. Tada možete prenijeti razvoj za izdavanje serije u privatnu tvrtku pod uvjetima 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. Voditelj sam odjela na Moskovskom zrakoplovnom institutu, gdje obučavamo stručnjake za motore i lasere. Dečki su pametni, žele se baviti poslom koji uče, ali treba im dati normalan početni impuls da ne odu, kao što mnogi sada rade, pisati programe za distribuciju robe po trgovinama. Za to je potrebno stvoriti odgovarajuće laboratorijsko okruženje, dati pristojnu plaću. Izgraditi ispravnu strukturu interakcije između znanosti i Ministarstva obrazovanja. Ista Akademija znanosti rješava mnoga pitanja vezana za obuku kadrova. Doista, među sadašnjim članovima akademije, dopisnim članovima, ima mnogo stručnjaka koji upravljaju visokotehnološkim poduzećima i istraživačkim institutima, moćnim projektantskim uredima. Izravno su zainteresirani za odjele koji su dodijeljeni njihovim organizacijama za školovanje potrebnih stručnjaka iz područja tehnologije, fizike, kemije, tako da odmah dobiju ne samo specijaliziranu sveučilišnu diplomu, već gotovog stručnjaka s određenim životnim i znanstvenim i tehničko iskustvo. Oduvijek je bilo tako: najbolji stručnjaci rađali su se u institutima i poduzećima gdje su postojali obrazovni odjeli. U Energomašu iu NPO Lavočkin imamo odjele podružnice Moskovskog zrakoplovnog instituta „Kometa“, kojima sam ja zadužen. 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 trenutnu razinu, morat ćete uložiti mnogo više truda nego što je danas potrebno da biste je održali.