Proč Američané nemohou vyrábět vesmírné motory?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Tvůrce nejlepších raketových motorů na kapalná paliva na světě, akademik Boris Katorgin, vysvětluje, proč Američané stále nemohou zopakovat naše úspěchy v této oblasti a jak si do budoucna udržet sovětský náskok.

21. června byli na Petrohradském ekonomickém fóru oceněni vítězové Global Energy Prize. Autoritativní komise expertů z různých zemí vybrala z 639 přihlášených tři přihlášky a jmenovala vítěze ceny za rok 2012, která se běžně nazývá „Nobelova cena pro energetické inženýry“. Výsledkem bylo, že 33 milionů prémiových rublů si letos rozdělili slavný vynálezce z Velké Británie, profesor Rodney John Allam, a dva naši vynikající vědci - akademici Ruské akademie věd Boris Katorgin a Valerij Kostyuk.

Všechny tři souvisí s tvorbou kryogenní technologie, studiem vlastností kryogenních produktů a jejich aplikací v různých elektrárnách. Akademik Boris Katorgin byl oceněn „za vývoj vysoce účinných raketových motorů na kapalná paliva na kryogenní paliva, které zajišťují spolehlivý provoz vesmírných systémů s vysokými energetickými parametry pro mírové využití vesmíru“. Za přímé účasti Katorgina, který se více než padesát let věnoval podniku OKB-456, dnes známému jako NPO Energomash, vznikly raketové motory na kapalná paliva (LRE), jejichž výkon je dodnes považován za nejlepší na světě. Sám Katorgin se zabýval vývojem schémat pro organizaci pracovního procesu v motorech, tvorbu směsi složek paliva a odstranění pulzace ve spalovací komoře. Známé jsou také jeho zásadní práce na jaderných raketových motorech (NRE) s vysokým specifickým impulsem a vývoj v oblasti vytváření výkonných kontinuálních chemických laserů.

V nejtěžších dobách pro ruské vědecky náročné organizace, v letech 1991 až 2009, stál Boris Katorgin v čele NPO Energomash, kombinoval pozice generálního ředitele a generálního konstruktéra, a podařilo se mu nejen udržet společnost, ale také vytvořit řadu nových motory. Absence interní objednávky motorů donutila Katorgin hledat zákazníka na externím trhu. Jedním z nových motorů byl RD-180, vyvinutý v roce 1995 speciálně pro účast ve výběrovém řízení organizovaném americkou korporací Lockheed Martin, která pro tehdy modernizovanou nosnou raketu Atlas vybrala raketový motor na kapalné pohonné hmoty. V důsledku toho NPO Energomash podepsala dohodu o dodávce 101 motorů a na začátku roku 2012 již dodala do Spojených států více než 60 raketových motorů, z nichž 35 bylo úspěšně provozováno na Atlasu při vypouštění satelitů pro různé účely..

Před udělením ceny Expert hovořil s akademikem Borisem Katorginem o stavu a perspektivách vývoje raketových motorů na kapalná paliva a zjišťoval, proč jsou motory založené na vývoji před čtyřiceti lety stále považovány za inovativní a RD-180 nemohl být znovu vytvořen v amerických továrnách.

- Borisi Ivanoviči, jaká je přesně vaše zásluha na vytvoření domácích proudových motorů na kapalná paliva, které jsou nyní považovány za nejlepší na světě?

- Abyste to vysvětlili laikovi, budete pravděpodobně potřebovat speciální dovednost. Pro raketové motory na kapalná paliva jsem vyvinul spalovací komory, plynové generátory; obecně dohlížel na tvorbu samotných motorů pro mírový průzkum vesmíru. (Ve spalovacích komorách dochází ke smíchání a spalování paliva a okysličovadla a vzniká objem horkých plynů, které následně tryskami vytvářejí vlastní proudový tah; plynové generátory spalují palivovou směs také, ale již pro provoz turbo čerpadel, která pumpují palivo a okysličovadlo pod obrovským tlakem do stejné spalovací komory. - "Expert".)

- Mluvíte o mírovém průzkumu vesmíru, i když je zřejmé, že všechny motory s tahem od několika desítek do 800 tun, které vznikly v NPO Energomash, byly určeny především pro vojenské potřeby.

- Nemuseli jsme shodit jedinou atomovou bombu, nedopravili jsme jedinou jadernou nálož na naše rakety k cíli a díky bohu. Veškerý vojenský vývoj šel do mírového prostoru. Můžeme být hrdí na obrovský přínos naší raketové a vesmírné techniky pro rozvoj lidské civilizace. Díky kosmonautice se zrodily celé technologické shluky: vesmírná navigace, telekomunikace, satelitní televize a snímací systémy.

- Motor pro mezikontinentální balistickou střelu R-9, na kterém jste pracoval, pak tvořil základ téměř celého našeho pilotovaného programu.

- Ještě koncem 50. let jsem prováděl výpočetní a experimentální práce na zlepšení tvorby směsi ve spalovacích komorách motoru RD-111, který byl určen právě pro tuto raketu. Výsledky práce jsou dodnes využívány v upravených motorech RD-107 a RD-108 pro stejnou raketu Sojuz, bylo na nich uskutečněno kolem dvou tisíc letů do vesmíru včetně všech pilotovaných programů.

- Před dvěma lety jsem dělal rozhovor s vaším kolegou, akademikem laureátem globální energetiky Alexandrem Leontyevem. V rozhovoru o specialistech neveřejném pro širokou veřejnost, kterou sám Leontyev kdysi byl, zmínil Vitaly Ievleva, který také hodně udělal pro náš vesmírný průmysl.

- Mnoho akademiků, kteří pracovali pro obranný průmysl, bylo klasifikováno - to je fakt. Nyní bylo mnohé odtajněno – to je také fakt. Alexandra Ivanoviče znám velmi dobře: pracoval na vytvoření výpočtových metod a metod chlazení spalovacích komor různých raketových motorů. Řešení tohoto technologického problému nebylo jednoduché, zvláště když jsme začali chemickou energii palivové směsi co nejvíce vytlačovat pro získání maximálního měrného impulsu, mimo jiné zvýšením tlaku ve spalovacích komorách na 250 atmosfér. Vezměme si náš nejsilnější motor – RD-170. Spotřeba paliva s oxidačním činidlem - petrolejem s kapalným kyslíkem procházejícím motorem - 2,5 tuny za sekundu. Tepelné toky v něm dosahují 50 megawattů na metr čtvereční – to je obrovská energie. Teplota ve spalovací komoře je 3,5 tisíce stupňů Celsia. Bylo potřeba vymyslet speciální chlazení spalovací komory, aby fungovala vypočítaně a vydržela tepelnou hlavu. Alexander Ivanovič to udělal a musím říci, že odvedl vynikající práci. Vitalij Michajlovič Ievlev - člen korespondenta Ruské akademie věd, doktor technických věd, profesor, který bohužel poměrně brzy zemřel, - byl vědec nejširšího profilu, měl encyklopedickou erudici. Stejně jako Leontiev hodně pracoval na metodice výpočtu tepelně namáhaných konstrukcí. Jejich práce se někde protnula, někde integrovala a výsledkem byla vynikající metoda, pomocí které je možné vypočítat tepelnou intenzitu libovolných spalovacích komor; teď to možná s jeho použitím zvládne každý student. Kromě toho se Vitaly Michajlovič aktivně podílel na vývoji jaderných, plazmových raketových motorů. Zde se naše zájmy protnuly v letech, kdy totéž dělal Energomash.

- V našem rozhovoru s Leontyevem jsme se dotkli prodeje motorů RD-180 energomash v USA a Alexander Ivanovič řekl, že tento motor je v mnoha ohledech výsledkem vývoje, který byl proveden právě během vytváření RD-170. a v jistém smyslu je to polovina. Je to opravdu výsledek zpětného škálování?

- Jakýkoli motor v nové dimenzi je samozřejmě novým zařízením. RD-180 s tahem 400 tun je ve skutečnosti poloviční než RD-170 s tahem 800 tun. RD-191, navržený pro naši novou raketu Angara, má tah 200 tun. Co mají tyto motory společného? Všechny mají jedno turbočerpadlo, ale RD-170 má čtyři spalovací komory, „americký“RD-180 má dvě a RD-191 jednu. Každý motor potřebuje svou vlastní turbočerpadlo - pokud totiž čtyřkomorový RD-170 spotřebuje asi 2,5 tuny paliva za sekundu, pro kterou bylo vyvinuto turbočerpadlo o výkonu 180 tisíc kilowattů, což je více než dvojnásobek vyšší než například výkon reaktoru atomového ledoborce "Arktika", pak dvoukomorový RD-180 - pouze poloviční, 1, 2 tuny. Na vývoji turbo čerpadel pro RD-180 a RD-191 jsem se přímo podílel a zároveň vedl tvorbu těchto motorů jako celku.

- Takže spalovací prostor je u všech těchto motorů stejný, jen jejich počet je jiný?

- Ano, a to je náš hlavní úspěch. V jedné takové komoře o průměru pouhých 380 milimetrů se spálí o něco více než 0,6 tuny paliva za sekundu. Bez nadsázky je tato kamera unikátní vysoce tepelně namáhané zařízení se speciálními pásy na ochranu před silnými tepelnými toky. Ochrana se provádí nejen díky vnějšímu chlazení stěn komory, ale také díky důmyslné metodě "navlečení" na ně palivového filmu, který se odpařuje a ochlazuje stěnu. Na základě této vynikající kamery, která nemá ve světě obdoby, vyrábíme naše nejlepší motory: RD-170 a RD-171 pro Energiu a Zenit, RD-180 pro americký Atlas a RD-191 pro novou ruskou raketu. "Angara".

- "Angara" měla nahradit "Proton-M" před několika lety, ale tvůrci rakety čelili vážným problémům, první letové testy byly opakovaně odkládány a projekt se zdá být i nadále zablokovaný.

- Opravdu tam byly problémy. Nyní padlo rozhodnutí odpálit raketu v roce 2013. Zvláštností Angary je, že na základě jejích univerzálních raketových modulů je možné vytvořit celou rodinu nosných raket s nosností 2,5 až 25 tun pro vypouštění nákladu na nízkou oběžnou dráhu na základě Univerzální kyslíkovo-petrolejový motor RD-191. Angara-1 má jeden motor, Angara-3 - tři s celkovým tahem 600 tun, Angara-5 bude mít tah 1000 tun, to znamená, že bude schopna vynést na oběžnou dráhu více nákladu než Proton. Navíc místo velmi toxického heptylu, který se spaluje v motorech Proton, používáme ekologické palivo, po kterém zůstane jen voda a oxid uhličitý.

- Jak se stalo, že stejný RD-170, který byl vytvořen již v polovině 70. let, stále zůstává ve skutečnosti inovativním produktem a jeho technologie se používají jako základ pro nové raketové motory?

- Podobný příběh se stal s letadlem vytvořeným po druhé světové válce Vladimirem Michajlovičem Mjasiščevem (strategický bombardér dlouhého doletu řady M, vyvinutý moskevskou OKB-23 z 50. let - "Expert"). Letoun v mnoha ohledech předběhl dobu o třicet let a prvky jeho konstrukce si pak vypůjčili další výrobci letadel. Tak je to tady: v RD-170 je spousta nových prvků, materiálů, designových řešení. Podle mých odhadů nezastarají ještě několik desítek let. Je to především zásluha zakladatele NPO Energomash a jejího generálního konstruktéra Valentina Petroviče Gluška a člena korespondenta Ruské akademie věd Vitaly Petroviče Radovského, který stál v čele společnosti po Glushkově smrti. (Všimněte si, že nejlepší energetické a provozní vlastnosti RD-170 na světě jsou z velké části způsobeny řešením problému potlačení nestability vysokofrekvenčního spalování vyvinutím antipulzačních přepážek ve stejné spalovací komoře Katorginem. - "Expert".) A první -stupňový motor RD-253 pro nosnou raketu "Proton"? Představený již v roce 1965 je tak dokonalý, že jej dosud nikdo nepřekonal. Glushko tak učil navrhovat – na hranici možného a vždy nad světovým průměrem. Je také důležité pamatovat na další věc: země investovala do své technologické budoucnosti. Jak to bylo v Sovětském svazu? Ministerstvo všeobecného strojírenství, které mělo na starosti zejména vesmír a rakety, vynaložilo 22 procent svého obrovského rozpočtu jen na výzkum a vývoj – ve všech oblastech, včetně pohonu. Dnes je financování výzkumu mnohem menší a to hodně vypovídá.

- Není dosažení některých dokonalých vlastností těmito raketovými motory, a to se stalo před půl stoletím, že raketový motor s chemickým zdrojem energie je v jistém smyslu zastaralý: hlavní objevy byly učiněny v nových generacích raketových motorů?, nyní mluvíme spíše o tzv. podpůrných inovacích??

- Rozhodně ne. Raketové motory na kapalná paliva jsou žádané a ještě velmi dlouho žádané, protože žádná jiná technologie není schopna spolehlivěji a hospodárněji zvednout náklad ze Země a dostat jej na nízkou oběžnou dráhu Země. Jsou šetrné k životnímu prostředí, zvláště ty, které běží na kapalný kyslík a petrolej. Ale pro lety ke hvězdám a jiným galaxiím jsou raketové motory na kapalná paliva samozřejmě zcela nevhodné. Hmotnost celé metagalaxie je 10 až 56 stupňů gramů. Ke zrychlení na motoru na kapalné pohonné hmoty alespoň na čtvrtinu rychlosti světla je potřeba naprosto neuvěřitelné množství paliva - 10 až 3200 gramů, takže i uvažovat o tom je hloupost. Raketový motor na kapalné palivo má své vlastní místo – udržovací motory. Na kapalných motorech můžete urychlit nosič na druhou kosmickou rychlost, letět na Mars a je to.

- Další fáze - jaderné raketové motory?

- Rozhodně. Není známo, zda se dožijeme některých etap, ale pro vývoj raketových motorů s jaderným pohonem se již v sovětských dobách udělalo mnoho. Nyní se pod vedením Keldyšského centra v čele s akademikem Anatolijem Sazonovičem Korotějevem vyvíjí tzv. dopravní a energetický modul. Konstruktéři došli k závěru, že je možné vytvořit plynem chlazený jaderný reaktor, který bude méně namáhaný než v SSSR, který bude fungovat jak jako elektrárna, tak jako zdroj energie pro plazmové motory při cestování vesmírem.. Takový reaktor je nyní projektován v NIKIET pojmenovaném po N. A. Dollezhalovi pod vedením člena korespondenta Ruské akademie věd Jurije Dragunova. Na projektu se podílí i Kaliningradská konstrukční kancelář "Fakel", kde vznikají elektrické pohonné motory. Stejně jako za sovětských časů se to neobejde bez Voroněžského konstrukčního úřadu pro chemickou automatiku, kde se budou vyrábět plynové turbíny a kompresory za účelem pohonu chladicí kapaliny – směsi plynů v uzavřené smyčce.

- Mezitím půjdeme k raketovému motoru?

- Samozřejmě a jasně vidíme vyhlídky na další vývoj těchto motorů. Existují taktické, dlouhodobé úkoly, zde není žádné omezení: zavádění nových tepelně odolnějších povlaků, nových kompozitních materiálů, snížení hmotnosti motorů, zvýšení jejich spolehlivosti a zjednodušení ovládání. systém. Pro lepší kontrolu opotřebení dílů a dalších procesů probíhajících v motoru lze zavést řadu prvků. Existují strategické úkoly: například vývoj zkapalněného metanu a acetylenu jako paliva spolu s čpavkem nebo třísložkovým palivem. NPO Energomash vyvíjí třísložkový motor. Takový raketový motor na kapalné palivo by mohl být použit jako motor pro první i druhý stupeň. V první fázi používá dobře vyvinuté komponenty: kyslík, kapalný petrolej a pokud přidáte asi o pět procent více vodíku, pak se specifický impuls výrazně zvýší - jedna z hlavních energetických charakteristik motoru, což znamená, že větší užitečné zatížení lze poslat do vesmíru. V první fázi se veškerý petrolej vyrábí s přídavkem vodíku a ve druhé přechází stejný motor z provozu na třísložkové palivo na dvousložkové - vodík a kyslík.

Již jsme vytvořili experimentální motor, byť malých rozměrů a tahu jen asi 7 tun, provedli 44 zkoušek, vyrobili plnohodnotné směšovací prvky v tryskách, v generátoru plynu, ve spalovací komoře a zjistili, že můžete nejprve pracovat na třech komponentách a poté plynule přejít na dvě. Vše funguje, je dosažena vysoká účinnost spalování, ale abychom šli dále, potřebujeme větší vzorek, musíme upravit stojany, abychom do spalovacího prostoru pustili komponenty, které budeme používat ve skutečném motoru: kapalný vodík a kyslík, stejně jako petrolej. Myslím, že je to velmi slibný směr a velký krok vpřed. A doufám, že budu mít během života čas něco udělat.

- Proč Američané, kteří získali právo reprodukovat RD-180, nebyli schopni jej vyrobit mnoho let?

- Američané jsou velmi pragmatičtí. V devadesátých letech, na samém začátku svého působení u nás, si uvědomili, že v energetické oblasti jsme byli daleko před nimi a musíme tyto technologie převzít od nás. Například náš motor RD-170 na jeden start díky vyššímu specifickému impulsu dokázal vynést o dvě tuny více než jejich nejsilnější F-1, což v té době znamenalo zisk 20 milionů dolarů. Vypsali soutěž na 400tunový motor pro své Atlasy, kterou vyhrál náš RD-180. Pak si Američané řekli, že s námi začnou spolupracovat a za čtyři roky vezmou naše technologie a sami je rozmnoží. Okamžitě jsem jim řekl: utratíte více než miliardu dolarů a deset let. Uplynuly čtyři roky a oni říkají: ano, šest let je potřeba. Uplynulo více let, říkají: ne, potřebujeme dalších osm let. Uplynulo sedmnáct let a oni nereprodukovali jediný motor. Jen na vybavení lavic nyní potřebují miliardy dolarů. V Energomaši máme stánky, kde lze v tlakové komoře testovat stejný motor RD-170, jehož proudový výkon dosahuje 27 milionů kilowattů.

- Slyšel jsem dobře - 27 gigawattů? To je více než instalovaný výkon všech JE Rosatom.

- Dvacet sedm gigawattů je výkon proudnice, která se vyvine za relativně krátkou dobu. Při testech na stojanu se energie paprsku nejprve uhasí ve speciálním bazénu, poté v rozptylovém potrubí o průměru 16 metrů a výšce 100 metrů. Postavit takovou zkušební stolici, ve které lze umístit motor, který generuje takový výkon, vyžaduje spoustu peněz. Američané na to nyní rezignovali a berou hotový produkt. Tím pádem neprodáváme suroviny, ale produkt s obrovskou přidanou hodnotou, do kterého je investována vysoce intelektuální práce. Bohužel v Rusku jde o vzácný příklad prodeje špičkových technologií v zahraničí v tak velkém objemu. To ale dokazuje, že při správné formulaci otázky jsme schopni mnohé.

- Borisi Ivanoviči, co je třeba udělat, abychom neztratili náskok získaný sovětskou konstrukcí raketových motorů? Pravděpodobně je kromě nedostatku financí na VaV velmi bolestivý i další problém - personální?

- Abyste se udrželi na světovém trhu, musíte jít stále dopředu, vytvářet nové produkty. Zřejmě až do chvíle, kdy byl náš konec stlačen a udeřil hrom. Stát si ale musí uvědomit, že bez nového vývoje se ocitne na okraji světového trhu a dnes, v tomto přechodném období, kdy jsme ještě nedorostli k normálnímu kapitalismu, musí především investovat do nového - stát. Poté můžete vývoj pro vydání série převést na soukromou společnost za podmínek výhodných pro stát i obchod. Nevěřím, že je nemožné přijít na rozumné metody, jak něco nového vytvořit, bez nich je zbytečné mluvit o vývoji a inovacích.

Je tam personál. Jsem vedoucím oddělení Moskevského leteckého institutu, kde školíme jak specialisty na motory, tak specialisty na lasery. Kluci jsou chytří, chtějí dělat byznys, který se učí, ale je potřeba jim dát normální prvotní impuls, aby neodešli, jako teď spousta lidí, psát programy na rozvoz zboží do obchodů. K tomu je potřeba vytvořit odpovídající laboratorní prostředí, dát slušný plat. Vybudovat správnou strukturu interakce mezi vědou a ministerstvem školství. Stejná Akademie věd řeší mnoho otázek souvisejících se školením personálu. Mezi současnými členy akademie, korespondenty, je skutečně mnoho specialistů, kteří řídí high-tech podniky a výzkumné ústavy, výkonné projekční kanceláře. Přímo se zajímají o to, aby katedry přidělené jejich organizacím vychovaly potřebné odborníky v oblasti techniky, fyziky, chemie tak, aby okamžitě získaly nejen specializovaného absolventa vysoké školy, ale hotového odborníka s určitou životností a vědeckými a technické zkušenosti. Vždy tomu tak bylo: nejlepší odborníci se rodili v ústavech a podnicích, kde existovala vzdělávací oddělení. V Energomaši a NPO Lavočkin máme oddělení pobočky Moskevského leteckého institutu „Kometa“, kterou mám na starosti. Jsou tam staré kádry, které umí předávat zkušenosti mladým. Ale zbývá jen velmi málo času a ztráty budou nenahraditelné: abyste se jednoduše vrátili na současnou úroveň, budete muset vynaložit mnohem více úsilí, než je dnes potřeba na její udržení.