Dlaczego Amerykanie nie mogą produkować silników kosmicznych?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Twórca najlepszych na świecie silników rakietowych na paliwo ciekłe, akademik Boris Katorgin, wyjaśnia, dlaczego Amerykanie wciąż nie mogą powtórzyć naszych osiągnięć w tej dziedzinie i jak utrzymać przewagę Sowietów w przyszłości.

21 czerwca podczas Forum Ekonomicznego w Petersburgu wręczono zwycięzców Global Energy Prize. Autorytatywna komisja ekspertów branżowych z różnych krajów wybrała trzy wnioski z 639 nadesłanych i wskazała zwycięzców nagrody 2012, zwanej potocznie „Nagrodą Nobla dla Energetyków”. W rezultacie 33 miliony rubli premium podzielili w tym roku słynny wynalazca z Wielkiej Brytanii profesor Rodney John Allam oraz dwóch naszych wybitnych naukowców – akademicy Rosyjskiej Akademii Nauk Borys Katorgin i Walery Kostiuk.

Wszystkie trzy związane są z tworzeniem technologii kriogenicznej, badaniem właściwości produktów kriogenicznych i ich zastosowaniem w różnych elektrowniach. Akademik Boris Katorgin został nagrodzony „za opracowanie wysokowydajnych silników rakietowych na paliwo ciekłe zasilane paliwami kriogenicznymi, które zapewniają niezawodne działanie systemów kosmicznych o wysokich parametrach energetycznych dla pokojowego wykorzystania przestrzeni kosmicznej”. Przy bezpośrednim udziale Katorgina, który ponad pięćdziesiąt lat poświęcił przedsiębiorstwu OKB-456, znanemu obecnie jako NPO Energomash, powstały silniki rakietowe na paliwo ciekłe (LRE), których osiągi wciąż uważane są za najlepsze na świecie. Sam Katorgin zajmował się opracowywaniem schematów organizacji procesu pracy w silnikach, tworzeniem mieszanki składników paliwowych i eliminacją pulsacji w komorze spalania. Znane są również jego fundamentalne prace nad jądrowymi silnikami rakietowymi (NRE) o wysokim impulsie właściwym oraz osiągnięcia w dziedzinie tworzenia potężnych ciągłych laserów chemicznych.

W najtrudniejszych czasach dla rosyjskich organizacji intensywnie zajmujących się nauką, od 1991 do 2009 roku, Boris Katorgin kierował NPO Energomash, łącząc stanowiska dyrektora generalnego i generalnego projektanta, i zdołał nie tylko utrzymać firmę, ale także stworzyć szereg nowych silniki. Brak wewnętrznego zamówienia na silniki zmusił Katorgin do poszukiwania klienta na rynku zewnętrznym. Jednym z nowych silników był RD-180, opracowany w 1995 roku specjalnie na potrzeby udziału w przetargu zorganizowanym przez amerykańską korporację Lockheed Martin, która wybrała silnik rakietowy na paliwo płynne do modernizowanej wówczas rakiety Atlas. W rezultacie NPO Energomash podpisał umowę na dostawę 101 silników i do początku 2012 roku dostarczył już ponad 60 silników rakietowych do Stanów Zjednoczonych, z których 35 z powodzeniem eksploatowano na Atlasie przy wystrzeliwaniu satelitów do różnych celów.

Przed przyznaniem nagrody Ekspert rozmawiał z naukowcem Borisem Katorginem o stanie i perspektywach rozwoju silników rakietowych na paliwo ciekłe i dowiedział się, dlaczego silniki oparte na rozwiązaniach sprzed czterdziestu lat są nadal uważane za innowacyjne, a RD-180 nie mógł zostać odtworzony w amerykańskich fabrykach.

- Borysie Iwanowiczu, jaka dokładnie jest twoja zasługa w tworzeniu krajowych silników odrzutowych na paliwo ciekłe, które są obecnie uważane za najlepsze na świecie?

- Aby wyjaśnić to laikowi, prawdopodobnie potrzebujesz specjalnej umiejętności. Do silników rakietowych na paliwo ciekłe opracowałem komory spalania, generatory gazu; ogólnie nadzorował tworzenie samych silników do pokojowej eksploracji kosmosu. (W komorach spalania paliwo i utleniacz mieszają się i spalają, tworząc objętość gorących gazów, które następnie wyrzucane przez dysze wytwarzają rzeczywisty ciąg strumienia; generatory gazu również spalają mieszankę paliwową, ale już dla działanie turbopomp, które pod ogromnym ciśnieniem pompują paliwo i utleniacz do tej samej komory spalania - "Ekspert".)

- Mówisz o pokojowej eksploracji kosmosu, choć oczywiste jest, że wszystkie silniki o ciągu od kilkudziesięciu do 800 ton, które powstały w NPO Energomash, były przeznaczone przede wszystkim na potrzeby wojskowe.

- Nie musieliśmy zrzucać ani jednej bomby atomowej, nie dostarczyliśmy do celu ani jednego ładunku nuklearnego naszymi pociskami i dzięki Bogu. Wszystkie wydarzenia wojskowe szły w pokojową przestrzeń. Możemy być dumni z ogromnego wkładu naszej technologii rakietowej i kosmicznej w rozwój ludzkiej cywilizacji. Dzięki astronautyce powstały całe klastry technologiczne: nawigacja kosmiczna, telekomunikacja, telewizja satelitarna, systemy czujnikowe.

- Silnik międzykontynentalnego pocisku balistycznego R-9, nad którym pracowałeś, stanowił wówczas podstawę prawie całego naszego programu załogowego.

- Jeszcze pod koniec lat pięćdziesiątych prowadziłem prace obliczeniowe i eksperymentalne nad poprawą formowania mieszanki w komorach spalania silnika RD-111, który był przeznaczony dla tej właśnie rakiety. Wyniki prac są nadal wykorzystywane w zmodyfikowanych silnikach RD-107 i RD-108 do tej samej rakiety Sojuz, wykonano na nich około dwóch tysięcy lotów kosmicznych, w tym wszystkie programy załogowe.

- Dwa lata temu przeprowadziłem wywiad z twoim kolegą, akademikiem, laureatem nagrody Global Energy, Aleksandrem Leontyjewem. W rozmowie o zamkniętych dla szerokiej publiczności specjalistach, którymi kiedyś był sam Leontyev, wspomniał o Witaliju Iewlewie, który również wiele zrobił dla naszego przemysłu kosmicznego.

- Utajniono wielu naukowców, którzy pracowali dla przemysłu obronnego - to fakt. Teraz wiele zostało odtajnionych – to też jest fakt. Bardzo dobrze znam Aleksandra Iwanowicza: pracował nad stworzeniem metod obliczeniowych i metod chłodzenia komór spalania różnych silników rakietowych. Rozwiązanie tego problemu technologicznego nie było łatwe, zwłaszcza gdy zaczęliśmy maksymalnie wyciskać energię chemiczną mieszanki paliwowej, aby uzyskać maksymalny impuls właściwy, zwiększając m.in. ciśnienie w komorach spalania do 250 atmosfer. Weźmy nasz najmocniejszy silnik - RD-170. Zużycie paliwa z utleniaczem - naftą z ciekłym tlenem przechodzącym przez silnik - 2,5 tony na sekundę. Przepływa w nim ciepło sięgające 50 megawatów na metr kwadratowy - to ogromna energia. Temperatura w komorze spalania wynosi 3, 5 tys. stopni Celsjusza. Konieczne było wymyślenie specjalnego chłodzenia komory spalania, aby mogła pracować obliczona i wytrzymać głowicę termiczną. Aleksander Iwanowicz właśnie to zrobił i muszę powiedzieć, że wykonał świetną robotę. Witalij Michajłowicz Iewlew - członek korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk, doktor nauk technicznych, profesor, niestety dość wcześnie zmarł, - był naukowcem o najszerszym profilu, posiadał encyklopedyczną erudycję. Podobnie jak Leontiev, dużo pracował nad metodologią obliczania wysoko naprężonych struktur termicznych. Ich praca gdzieś się przecinała, gdzieś zostały zintegrowane, w wyniku czego uzyskano doskonałą metodę, dzięki której można obliczyć intensywność cieplną dowolnych komór spalania; teraz, być może, używając go, każdy uczeń może to zrobić. Ponadto Witalij Michajłowicz brał czynny udział w rozwoju jądrowych, plazmowych silników rakietowych. Tutaj nasze zainteresowania przecinały się w latach, kiedy Energomash robił to samo.

- W naszej rozmowie z Leontyevem poruszyliśmy kwestię sprzedaży silników energomash RD-180 w USA, a Aleksander Iwanowicz powiedział, że pod wieloma względami silnik ten jest wynikiem prac rozwojowych dokonanych właśnie podczas tworzenia RD-170, aw pewnym sensie to połowa. Czy to naprawdę wynik skalowania wstecznego?

- Każdy silnik w nowym wymiarze to oczywiście nowa aparatura. RD-180 o ciągu 400 ton jest w rzeczywistości o połowę mniejszy od RD-170 o ciągu 800 ton. RD-191, zaprojektowany dla naszej nowej rakiety Angara, ma ciąg 200 ton. Co te silniki mają wspólnego? Wszystkie mają jedną turbopompę, ale RD-170 ma cztery komory spalania, „amerykański” RD-180 ma dwie, a RD-191 jedną. Każdy silnik potrzebuje własnej turbopompy - w końcu jeśli czterokomorowy RD-170 zużywa około 2,5 tony paliwa na sekundę, do czego opracowano turbopompę o mocy 180 tysięcy kilowatów, czyli ponad dwa razy wyższa niż np. moc reaktora atomowego lodołamacza „Arktika”, to dwukomorowy RD-180 - tylko połowa, 1, 2 tony. W rozwoju pomp turbodoładowanych do RD-180 i RD-191 uczestniczyłem bezpośrednio i jednocześnie kierowałem tworzeniem tych silników jako całości.

- Czyli komora spalania jest taka sama we wszystkich tych silnikach, tylko ich liczba jest inna?

- Tak i to jest nasze główne osiągnięcie. W jednej takiej komorze o średnicy zaledwie 380 milimetrów spala się nieco ponad 0,6 tony paliwa na sekundę. Bez przesady ten aparat jest wyjątkowym sprzętem odpornym na wysokie temperatury ze specjalnymi paskami, które chronią przed silnymi strumieniami ciepła. Ochrona jest realizowana nie tylko dzięki zewnętrznemu chłodzeniu ścian komory, ale także dzięki pomysłowej metodzie „wykładania” na nich filmu paliwowego, który odparowuje i chłodzi ścianę. Na bazie tej wybitnej kamery, która nie ma sobie równych na świecie, produkujemy nasze najlepsze silniki: RD-170 i RD-171 dla Energii i Zenit, RD-180 dla amerykańskiego Atlasa i RD-191 dla nowego rosyjskiego pocisku „Angara”.

- „Angara” miała zastąpić „Proton-M” kilka lat temu, ale twórcy rakiety stanęli przed poważnymi problemami, pierwsze próby w locie były wielokrotnie przekładane, a projekt wydaje się nadal się zatrzymywać.

- Naprawdę były problemy. Podjęto decyzję o wystrzeleniu rakiety w 2013 roku. Specyfiką Angary jest to, że na podstawie jej uniwersalnych modułów rakietowych możliwe jest stworzenie całej rodziny rakiet nośnych o ładowności od 2,5 do 25 ton do wystrzeliwania ładunku na orbitę niskoziemną na podstawie Uniwersalny silnik tlenowo-naftowy RD-191. Angara-1 ma jeden silnik, Angara-3 - trzy o łącznym ciągu 600 ton, Angara-5 będzie miała 1000 ton ciągu, czyli będzie mogła umieścić na orbicie więcej ładunku niż Proton. Dodatkowo zamiast bardzo toksycznego heptylu, który spala się w silnikach Proton, stosujemy paliwo przyjazne dla środowiska, po którym pozostaje tylko woda i dwutlenek węgla.

- Jak to się stało, że ten sam RD-170, który powstał w połowie lat 70., nadal pozostaje w rzeczywistości produktem innowacyjnym, a jego technologie są wykorzystywane jako podstawa nowych silników rakietowych?

- Podobna historia miała miejsce z samolotem stworzonym po II wojnie światowej przez Władimira Michajłowicza Miasiszczewa (strategiczny bombowiec dalekiego zasięgu serii M, opracowany przez moskiewski OKB-23 z lat 50. - „Ekspert”). Pod wieloma względami samolot wyprzedził swoje czasy o trzydzieści lat, a elementy jego konstrukcji zostały następnie zapożyczone przez innych producentów samolotów. Tak jest tutaj: w RD-170 pojawiło się wiele nowych elementów, materiałów, rozwiązań konstrukcyjnych. Według moich szacunków nie starzeją się one jeszcze przez kilkadziesiąt lat. To przede wszystkim zasługa założyciela NPO Energomash i jego generalnego projektanta Walentina Pietrowicza Głuszko i członka korespondenta Rosyjskiej Akademii Nauk Witalija Pietrowicza Radowskiego, który kierował firmą po śmierci Głuszki. (Należy zauważyć, że najlepsze na świecie właściwości energetyczne i operacyjne RD-170 są w dużej mierze zasługą rozwiązania problemu stłumienia niestabilności spalania o wysokiej częstotliwości przez Katorgina poprzez opracowanie przegród antypulsacyjnych w tej samej komorze spalania. - „Ekspert”.) I pierwszy -etapowy silnik RD-253 do rakiety nośnej "Proton"? Wprowadzony w 1965 roku, jest tak doskonały, że nikt go jeszcze nie prześcignął. W ten sposób Glushko nauczył projektować - na granicy możliwości i zawsze powyżej średniej światowej. Trzeba też pamiętać o innej rzeczy: kraj zainwestował w swoją technologiczną przyszłość. Jak było w Związku Radzieckim? Ministerstwo Ogólnego Budowy Maszyn, które w szczególności zajmowało się przestrzenią kosmiczną i rakietami, przeznaczyło 22% swojego ogromnego budżetu na same badania i rozwój – we wszystkich obszarach, w tym napędzie. Dziś fundusze na badania są znacznie mniejsze, a to wiele mówi.

- Czy osiągnięcie przez te silniki rakietowe pewnych doskonałych właściwości, a stało się to pół wieku temu, że silnik rakietowy z chemicznym źródłem energii jest w pewnym sensie przestarzały: główne odkrycia dokonano w nowych generacjach silników rakietowych, teraz mówimy więcej o tzw. innowacjach wspierających?

- Zdecydowanie nie. Silniki rakietowe na paliwo ciekłe są poszukiwane i będą poszukiwane przez bardzo długi czas, ponieważ żadna inna technologia nie jest w stanie bardziej niezawodnie i ekonomicznie podnieść ładunku z Ziemi i umieścić go na niskiej orbicie okołoziemskiej. Są przyjazne dla środowiska, zwłaszcza te, które działają na ciekły tlen i naftę. Ale w przypadku lotów do gwiazd i innych galaktyk silniki rakietowe na paliwo ciekłe są oczywiście całkowicie nieodpowiednie. Masa całej metagalaktyki wynosi od 10 do 56 stopni gramów. Aby rozpędzić się na silniku na paliwo płynne do co najmniej jednej czwartej prędkości światła, potrzeba absolutnie niewiarygodnej ilości paliwa - od 10 do 3200 gramów, więc nawet myślenie o tym jest głupie. Silnik rakietowy na paliwo ciekłe ma swoją własną niszę - silniki podtrzymujące. Na silnikach płynnych można rozpędzić lotniskowiec do drugiej prędkości kosmicznej, polecieć na Marsa i to wszystko.

- Kolejny etap - silniki rakietowe?

- Na pewno. Nie wiadomo, czy dożyjemy niektórych etapów, ale wiele zrobiono dla rozwoju silników rakietowych o napędzie atomowym już w czasach sowieckich. Teraz pod kierownictwem Centrum Keldysh, kierowanego przez akademika Anatolija Sazonowicza Korotejewa, opracowywany jest tzw. moduł transportowo-energetyczny. Projektanci doszli do wniosku, że możliwe jest stworzenie reaktora jądrowego chłodzonego gazem, który byłby mniej stresujący niż w ZSRR, który sprawdzi się zarówno jako elektrownia, jak i źródło energii dla silników plazmowych podczas podróży w kosmosie. Taki reaktor jest obecnie projektowany w NIKIECIE im. N. A. Dollezhala pod kierownictwem członka korespondenta Rosyjskiej Akademii Nauk Jurija Dragunowa. W projekcie uczestniczy również kaliningradzkie biuro projektowe „Fakel”, w którym powstają elektryczne silniki napędowe. Podobnie jak w czasach sowieckich, nie obejdzie się bez Biura Projektowego Automatyki Chemicznej Woroneża, gdzie będą produkowane turbiny gazowe i sprężarki w celu napędzania chłodziwa - mieszanki gazowej w zamkniętej pętli.

- A tymczasem idziemy do silnika rakietowego?

- Oczywiście i wyraźnie widzimy perspektywy dalszego rozwoju tych silników. Są zadania taktyczne, długofalowe, tu nie ma granic: wprowadzenie nowych, bardziej żaroodpornych powłok, nowych materiałów kompozytowych, zmniejszenie masy silników, zwiększenie ich niezawodności, uproszczenie sterowania schemat. Można wprowadzić szereg elementów, aby lepiej kontrolować zużycie części i inne procesy zachodzące w silniku. Są zadania strategiczne: np. opracowanie skroplonego metanu i acetylenu jako paliwa wraz z amoniakiem lub paliwem trójskładnikowym. NPO Energomash opracowuje silnik trójkomponentowy. Taki silnik rakietowy na paliwo ciekłe mógłby być używany jako silnik zarówno dla pierwszego, jak i drugiego stopnia. W pierwszym etapie wykorzystuje dopracowane komponenty: tlen, płynną naftę, a jeśli dodasz o około pięć procent więcej wodoru, to impuls właściwy znacznie wzrośnie - jedna z głównych charakterystyk energetycznych silnika, co oznacza większą ładowność można wysłać w kosmos. W pierwszym etapie cała nafta jest produkowana z dodatkiem wodoru, a w drugim ten sam silnik przechodzi z pracy na paliwie trzyskładnikowym na dwuskładnikowe – wodór i tlen.

Stworzyliśmy już eksperymentalny silnik, aczkolwiek o niewielkich wymiarach i ciągu zaledwie około 7 ton, przeprowadziliśmy 44 próby, wykonaliśmy pełnowymiarowe elementy mieszające w dyszach, w generatorze gazu, w komorze spalania i dowiedzieliśmy się, że możesz najpierw pracować na trzech komponentach, a następnie płynnie przełączyć się na dwa. Wszystko się układa, osiąga się wysoką sprawność spalania, ale żeby iść dalej, potrzebujemy większej próbki, musimy zmodyfikować stojaki, aby wprowadzić do komory spalania komponenty, które będziemy używać w prawdziwym silniku: ciekły wodór i tlen, a także nafta. Myślę, że to bardzo obiecujący kierunek i duży krok naprzód. I mam nadzieję, że będę miał czas na zrobienie czegoś w ciągu mojego życia.

- Dlaczego Amerykanie, otrzymawszy prawo do reprodukcji RD-180, nie byli w stanie tego zrobić przez wiele lat?

- Amerykanie są bardzo pragmatyczni. W latach 90. już na samym początku współpracy z nami zdali sobie sprawę, że w energetyce jesteśmy daleko przed nimi i musimy te technologie przejąć od nas. Na przykład nasz silnik RD-170 za jednym startem, dzięki wyższemu impulsowi właściwemu, mógł zabrać ładowność o dwie tony więcej niż ich najmocniejszy F-1, co w tamtym czasie oznaczało 20 mln dolarów zysku. Ogłosili konkurs na 400-tonowy silnik do swoich Atlasów, który wygrał nasz RD-180. Wtedy Amerykanie pomyśleli, że zaczną z nami współpracować, a za cztery lata wezmą nasze technologie i sami je odtworzą. Powiedziałem im od razu: wydacie ponad miliard dolarów i dziesięć lat. Minęły cztery lata, a mówią: tak, potrzeba sześciu lat. Minęło więcej lat, mówią: nie, potrzebujemy kolejnych ośmiu lat. Minęło siedemnaście lat, a nie odtworzyli ani jednego silnika. Potrzebują teraz miliardów dolarów na sam sprzęt stołowy. W Energomash mamy stoiska, na których ten sam silnik RD-170 można przetestować w komorze ciśnieniowej, której moc odrzutowa sięga 27 milionów kilowatów.

- Dobrze słyszałem - 27 gigawatów? To więcej niż moc zainstalowana wszystkich elektrowni jądrowych Rosatom.

- Dwadzieścia siedem gigawatów to moc odrzutowca, która rozwija się w stosunkowo krótkim czasie. Podczas testów na stanowisku energia strumienia jest najpierw gaszona w specjalnym basenie, a następnie w rurze dyspersyjnej o średnicy 16 metrów i wysokości 100 metrów. Zbudowanie takiego stanowiska testowego, w którym mieści się silnik generujący taką moc, wymaga dużo pieniędzy. Amerykanie zrezygnowali z tego i zabierają gotowy produkt. W efekcie nie sprzedajemy surowców, ale produkt o ogromnej wartości dodanej, w który inwestujemy wysoce intelektualną pracę. Niestety w Rosji jest to rzadki przykład tak dużej sprzedaży zaawansowanych technologii za granicę. Ale to dowodzi, że przy poprawnym sformułowaniu pytania jesteśmy w stanie wiele.

- Borysie Iwanowiczu, co zrobić, aby nie stracić przewagi zdobytej przez sowiecką budowę silników rakietowych? Chyba poza brakiem środków na B+R bardzo bolesny jest też inny problem – kadry?

- Aby utrzymać się na światowym rynku, trzeba cały czas iść do przodu, tworzyć nowe produkty. Podobno do końca nas przyciśnięto i uderzył grzmot. Ale państwo musi zdać sobie sprawę, że bez nowych wydarzeń znajdzie się na marginesie rynku światowego, a dziś, w tym przejściowym okresie, kiedy jeszcze nie dojrzeliśmy do normalnego kapitalizmu, musi przede wszystkim inwestować w nowy… Stan. Następnie możesz przekazać rozwój w celu wydania serii prywatnej firmie na warunkach korzystnych zarówno dla państwa, jak i dla biznesu. Nie wierzę, że nie da się wymyślić rozsądnych metod tworzenia czegoś nowego, bez nich nie ma sensu mówić o rozwoju i innowacjach.

Jest personel. Jestem kierownikiem działu w Moskiewskim Instytucie Lotniczym, gdzie szkolimy zarówno specjalistów od silników, jak i specjalistów od laserów. Chłopaki są mądrzy, chcą robić biznes, którego się uczą, ale trzeba im dać normalny początkowy impuls, żeby nie wyszli, jak wiele osób teraz, z pisaniem programów do dystrybucji towarów w sklepach. Do tego konieczne jest stworzenie odpowiedniego środowiska laboratoryjnego, aby dać przyzwoitą pensję. Zbuduj prawidłową strukturę interakcji między nauką a Ministerstwem Edukacji. Ta sama Akademia Nauk rozwiązuje wiele zagadnień związanych ze szkoleniem personelu. Rzeczywiście, wśród obecnych członków akademii, członków korespondentów, jest wielu specjalistów, którzy zarządzają przedsiębiorstwami high-tech i instytutami badawczymi, potężnymi biurami projektowymi. Są bezpośrednio zainteresowani wydziałami przydzielonymi do ich organizacji, aby kształcić niezbędnych specjalistów w dziedzinie technologii, fizyki, chemii, aby od razu otrzymali nie tylko specjalistycznego absolwenta uczelni, ale gotowego specjalistę z pewnym życiowym i naukowym oraz doświadczenie techniczne. Zawsze tak było: najlepsi specjaliści urodzili się w instytutach i przedsiębiorstwach, w których istniały wydziały edukacyjne. W Energomash iw NPO Ławoczkin mamy wydziały oddziału Moskiewskiego Instytutu Lotniczego „Kometa”, którym kieruję. Istnieją stare kadry, które mogą przekazać to doświadczenie młodym. Ale czasu pozostało bardzo mało, a straty będą nieodwracalne: aby po prostu wrócić do obecnego poziomu, trzeba będzie włożyć znacznie więcej wysiłku niż jest to potrzebne dzisiaj, aby go utrzymać.