Hvorfor kan amerikanere ikke lave rummotorer?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Skaberen af verdens bedste raketmotorer til flydende drivmidler, akademiker Boris Katorgin, forklarer, hvorfor amerikanerne stadig ikke kan gentage vores præstationer på dette område, og hvordan man kan holde det sovjetiske forspring i fremtiden.

Den 21. juni, på St. Petersburg Economic Forum, blev vinderne af Global Energy Prize uddelt. En autoritativ kommission af industrieksperter fra forskellige lande udvalgte tre ansøgninger ud af 639 indsendte og udpegede vinderne af 2012-prisen, som almindeligvis kaldes "Nobelprisen for kraftingeniører". Som et resultat blev 33 millioner premium rubler i år delt af den berømte opfinder fra Storbritannien, professor Rodney John Allam, og to af vores fremragende videnskabsmænd - akademikere fra det russiske videnskabsakademi Boris Katorgin og Valery Kostyuk.

Alle tre er relateret til skabelsen af kryogen teknologi, studiet af egenskaberne af kryogene produkter og deres anvendelse i forskellige kraftværker. Akademiker Boris Katorgin blev tildelt "for udviklingen af højeffektive raketmotorer med flydende drivmiddel på kryogene brændstoffer, som giver pålidelig drift af rumsystemer med høje energiparametre til fredelig brug af rummet." Med direkte deltagelse af Katorgin, som viede mere end halvtreds år til OKB-456-virksomheden, nu kendt som NPO Energomash, blev der skabt flydende drivstofraketmotorer (LRE), hvis ydeevne stadig betragtes som den bedste i verden. Katorgin selv var engageret i udviklingen af ordninger til organisering af arbejdsprocessen i motorer, blandingsdannelse af brændstofkomponenter og eliminering af pulsering i forbrændingskammeret. Også kendt er hans grundlæggende arbejde med nukleare raketmotorer (NRE) med en høj specifik impuls og udvikling inden for at skabe kraftige kontinuerlige kemiske lasere.

I de sværeste tider for russiske videnskabsintensive organisationer, fra 1991 til 2009, stod Boris Katorgin i spidsen for NPO Energomash, der kombinerede stillingerne som generaldirektør og generaldesigner, og formåede ikke kun at beholde virksomheden, men også at skabe en række nye motorer. Fraværet af en intern ordre på motorer tvang Katorgin til at lede efter en kunde på det eksterne marked. En af de nye motorer var RD-180, udviklet i 1995 specifikt til deltagelse i et udbud arrangeret af det amerikanske selskab Lockheed Martin, som valgte en flydende raketmotor til den Atlas løfteraket, der blev opgraderet på det tidspunkt. Som et resultat underskrev NPO Energomash en aftale om levering af 101 motorer og havde allerede i begyndelsen af 2012 leveret mere end 60 raketmotorer til USA, hvoraf 35 med succes blev opereret på Atlas i opsendelsen af satellitter til forskellige formål.

Før tildelingen af prisen talte eksperten med akademiker Boris Katorgin om tilstanden og udsigterne for udviklingen af raketmotorer med flydende drivstof og fandt ud af, hvorfor motorer baseret på udviklingen for fyrre år siden stadig betragtes som innovative, og RD-180 kunne ikke genskabes på amerikanske fabrikker.

- Boris Ivanovich, hvad er din fortjeneste i skabelsen af indenlandske jetmotorer med flydende drivstof, som nu anses for at være de bedste i verden?

- For at forklare det her for en lægmand, har du sikkert brug for en særlig færdighed. Til raketmotorer med flydende drivmiddel udviklede jeg forbrændingskamre, gasgeneratorer; generelt overvågede han skabelsen af selve motorerne til den fredelige udforskning af det ydre rum. (I forbrændingskamrene blandes og forbrændes brændstoffet og oxidationsmidlet, og der dannes et volumen af varme gasser, som derefter udstødes gennem dyserne og skaber det egentlige jettryk; gasgeneratorer brænder også brændstofblandingen, men allerede til drift af turbopumper, som pumper brændstof og oxidationsmiddel under enormt tryk ind i samme forbrændingskammer. - "Ekspert".)

- Du taler om fredelig udforskning af rummet, selvom det er indlysende, at alle motorer med tryk fra flere tiere til 800 tons, som blev skabt hos NPO Energomash, primært var beregnet til militære behov.

- Vi behøvede ikke at kaste en eneste atombombe, vi leverede ikke en eneste atomladning på vores missiler til målet, og gudskelov. Alle militære udviklinger gik ind i fredelige rum. Vi kan være stolte af det enorme bidrag fra vores raket- og rumteknologi til udviklingen af den menneskelige civilisation. Takket være astronautikken blev hele teknologiske klynger født: rumnavigation, telekommunikation, satellit-tv og sensorsystemer.

- Motoren til det interkontinentale ballistiske missil R-9, som du arbejdede på, dannede så grundlaget for næsten hele vores bemandede program.

- Tilbage i slutningen af 1950'erne udførte jeg beregningsmæssigt og eksperimentelt arbejde for at forbedre blandingsdannelsen i forbrændingskamrene på RD-111-motoren, som var beregnet til netop den raket. Resultaterne af arbejdet bruges stadig i de modificerede RD-107- og RD-108-motorer til den samme Soyuz-raket; omkring to tusinde rumflyvninger blev udført på dem, inklusive alle bemandede programmer.

- For to år siden interviewede jeg din kollega, akademiker Alexander Leontyev, Global Energy Laureate. I en samtale om specialister lukket for offentligheden, som Leontyev selv engang var, nævnte han Vitaly Ievlev, som også gjorde meget for vores rumindustri.

- Mange akademikere, der arbejdede for forsvarsindustrien, blev klassificeret - det er en kendsgerning. Nu er meget blevet afklassificeret – det er også en kendsgerning. Jeg kender Alexander Ivanovich meget godt: han arbejdede på skabelsen af beregningsmetoder og metoder til afkøling af forbrændingskamrene i forskellige raketmotorer. At løse dette teknologiske problem var ikke let, især da vi begyndte at presse den kemiske energi af brændstofblandingen ud så meget som muligt for at opnå den maksimale specifikke impuls, hvilket blandt andet øgede trykket i forbrændingskamrene til 250 atmosfærer. Lad os tage vores mest kraftfulde motor - RD-170. Brændstofforbrug med et oxidationsmiddel - petroleum med flydende ilt, der går gennem motoren - 2,5 tons i sekundet. Varmestrømme i det når 50 megawatt per kvadratmeter - dette er en enorm energi. Temperaturen i forbrændingskammeret er 3, 5 tusinde grader Celsius. Det var nødvendigt at komme med en speciel køling til forbrændingskammeret, så det kunne fungere beregnet og modstå det termiske hoved. Alexander Ivanovich gjorde netop det, og jeg må sige, han gjorde et fremragende stykke arbejde. Vitaly Mikhailovich Ievlev - korresponderende medlem af det russiske videnskabsakademi, doktor i tekniske videnskaber, professor, som desværre døde ret tidligt, - var en videnskabsmand af den bredeste profil, besad en encyklopædisk lærdom. Ligesom Leontiev arbejdede han meget på metoden til beregning af højspændings termiske strukturer. Deres arbejde krydsede et sted, et sted blev de integreret, og som et resultat blev der opnået en fremragende metode, hvormed det er muligt at beregne varmeintensiteten af ethvert forbrændingskamre; nu, måske ved at bruge det, kan enhver studerende gøre det. Derudover tog Vitaly Mikhailovich en aktiv del i udviklingen af nukleare plasmaraketmotorer. Her krydsede vores interesser sig i årene, hvor Energomash gjorde det samme.

- I vores samtale med Leontyev kom vi ind på salget af RD-180 energomash-motorerne i USA, og Alexander Ivanovich sagde, at denne motor på mange måder er resultatet af udviklinger, der blev foretaget lige under skabelsen af RD-170., og på en måde det halve. Er dette virkelig resultatet af tilbageskaleringen?

- Enhver motor i en ny dimension er selvfølgelig et nyt apparat. RD-180 med en trækkraft på 400 tons er faktisk halvt så stor som RD-170 med en trækkraft på 800 tons. RD-191, designet til vores nye Angara raket, har en fremdrift på 200 tons. Hvad har disse motorer til fælles? Alle har en turbopumpe, men RD-170 har fire forbrændingskamre, den "amerikanske" RD-180 har to, og RD-191 har et. Hver motor har brug for sin egen turbopumpeenhed - når alt kommer til alt, hvis firekammer RD-170 bruger omkring 2,5 tons brændstof i sekundet, for hvilket der blev udviklet en turbopumpe med en kapacitet på 180 tusind kilowatt, hvilket er mere end to gange højere end for eksempel reaktoreffekten af den atomare isbryder "Arktika", så den to-kammer RD-180 - kun halvdelen, 1, 2 tons. I udviklingen af turbopumper til RD-180 og RD-191 deltog jeg direkte og ledte samtidig skabelsen af disse motorer som helhed.

- Så forbrændingskammeret er det samme på alle disse motorer, kun deres antal er forskelligt?

- Ja, og det er vores vigtigste præstation. I et sådant kammer med en diameter på kun 380 millimeter forbrændes lidt mere end 0,6 tons brændstof i sekundet. Uden overdrivelse er dette kamera et unikt højvarme-stress udstyr med specielle bælter til at beskytte mod kraftige varmestrømme. Beskyttelse udføres ikke kun på grund af ekstern afkøling af kammervæggene, men også på grund af en genial metode til at "fore" en brændstoffilm på dem, som fordamper og afkøler væggen. På basis af dette fremragende kamera, som ikke har sin side i verden, fremstiller vi vores bedste motorer: RD-170 og RD-171 til Energia og Zenit, RD-180 til det amerikanske Atlas og RD-191 til det nye russiske missil "Angara".

- "Angara" skulle erstatte "Proton-M" for flere år siden, men skaberne af raketten stod over for alvorlige problemer, de første flyvetest blev gentagne gange udskudt, og projektet ser ud til at fortsætte med at gå i stå.

- Der var virkelig problemer. Der er nu truffet beslutning om at affyre raketten i 2013. Det særegne ved Angara er, at det på grundlag af dets universelle raketmoduler er muligt at skabe en hel familie af løfteraketter med en nyttelastkapacitet på 2,5 til 25 tons til at sende last i lavt kredsløb om jorden på basis af RD-191 universel oxygen-petroleumsmotor. Angara-1 har en motor, Angara-3 - tre med en samlet trækkraft på 600 tons, Angara-5 vil have 1000 tons trækkraft, det vil sige, at den vil kunne sætte mere last i kredsløb end Proton. Derudover bruger vi i stedet for det meget giftige heptyl, som brændes i Proton-motorerne, miljøvenligt brændstof, hvorefter der kun er vand og kuldioxid tilbage.

- Hvordan gik det til, at den samme RD-170, som blev skabt tilbage i midten af 1970'erne, stadig i virkeligheden er et innovativt produkt, og dens teknologier bruges som grundlag for nye raketmotorer?

- En lignende historie skete med et fly skabt efter Anden Verdenskrig af Vladimir Mikhailovich Myasishchev (et langtrækkende strategisk bombefly af M-serien, udviklet af Moskva OKB-23 i 1950'erne - "Ekspert"). I mange henseender var flyet tredive år forud for sin tid, og elementerne i dets design blev derefter lånt af andre flyfabrikanter. Så det er her: I RD-170 er der en masse nye elementer, materialer, designløsninger. Ifølge mine skøn vil de ikke blive forældede før om flere årtier. Dette skyldes primært grundlæggeren af NPO Energomash og dens generelle designer Valentin Petrovich Glushko og korresponderende medlem af det russiske videnskabsakademi Vitaly Petrovich Radovsky, som stod i spidsen for virksomheden efter Glushkos død. (Bemærk at verdens bedste energi- og driftsegenskaber for RD-170 i høj grad skyldes Katorgins løsning på problemet med at undertrykke højfrekvent forbrændingsustabilitet ved at udvikle antipulsationsbaffler i samme forbrændingskammer. - "Ekspert".) Og den første -trins RD-253 motor til bæreraket "Proton"? Den blev introduceret tilbage i 1965 og er så perfekt, at den endnu ikke er blevet overgået af nogen. Sådan lærte Glushko at designe - på grænsen af det mulige og altid over verdensgennemsnittet. Det er også vigtigt at huske en anden ting: landet har investeret i sin teknologiske fremtid. Hvordan var det i Sovjetunionen? Ministeriet for Generel Maskinbygning, som især havde ansvaret for rumfart og raketter, brugte 22 procent af sit enorme budget på F&U alene - på alle områder, inklusive fremdrift. I dag er forskningsmidlerne meget mindre, og det siger en del.

- Er opnåelsen af nogle perfekte kvaliteter ved disse raketmotorer, og det skete for et halvt århundrede siden, at en raketmotor med en kemisk energikilde på en eller anden måde er forældet: De vigtigste opdagelser er blevet gjort i nye generationer af raketmotorer, nu taler vi mere om de såkaldte understøttende innovationer??

- Bestemt ikke. Flydende raketmotorer er efterspurgte og vil være efterspurgte i meget lang tid, fordi ingen anden teknologi er i stand til mere pålideligt og økonomisk at løfte en byrde fra Jorden og sætte den i lavt kredsløb om Jorden. De er miljøvenlige, især dem der kører på flydende ilt og petroleum. Men til flyvninger til stjerner og andre galakser er raketmotorer med flydende drivmidler selvfølgelig helt uegnede. Massen af hele metagalaksen er 10 til 56 grader af gram. For at accelerere på en flydende drivmiddelmotor til mindst en fjerdedel af lysets hastighed, kræves der en helt utrolig mængde brændstof - 10 til 3200 gram, så selv at tænke over det er dumt. Raketmotoren med flydende drivmiddel har sin egen niche - sustainer-motorer. På flydende motorer kan du accelerere transportøren til den anden kosmiske hastighed, flyve til Mars, og det er det.

- Næste trin - nukleare raketmotorer?

- Sikkert. Det vides ikke, om vi lever for at se nogle af etaperne, men der er gjort meget for udviklingen af atomdrevne raketmotorer allerede i sovjettiden. Nu, under ledelse af Keldysh Center, ledet af akademiker Anatoly Sazonovich Koroteev, udvikles det såkaldte transport- og energimodul. Designerne kom til den konklusion, at det er muligt at skabe en gaskølet atomreaktor, der er mindre stressende end den var i USSR, som både vil fungere som et kraftværk og som energikilde til plasmamotorer, når de rejser i rummet. En sådan reaktor bliver nu designet på NIKIET opkaldt efter N. A. Dollezhal under ledelse af det korresponderende medlem af det russiske videnskabsakademi Yuri Dragunov. Kaliningrads designbureau "Fakel" deltager også i projektet, hvor der skabes elektriske fremdriftsmotorer. Som i sovjettiden vil det ikke undvære Voronezh Design Bureau of Chemical Automatics, hvor gasturbiner og kompressorer vil blive fremstillet for at drive en kølevæske - en gasblanding i et lukket kredsløb.

- I mellemtiden, skal vi til raketmotoren?

- Selvfølgelig, og vi ser tydeligt perspektiverne for den videre udvikling af disse motorer. Der er taktiske, langsigtede opgaver, der er ingen grænse her: introduktionen af nye, mere varmebestandige belægninger, nye kompositmaterialer, et fald i massen af motorer, en stigning i deres pålidelighed og en forenkling af kontrollen ordning. En række elementer kan indføres for bedre at kontrollere slid på dele og andre processer, der forekommer i motoren. Der er strategiske opgaver: for eksempel udvikling af flydende metan og acetylen som brændsel sammen med ammoniak eller tre-komponent brændstof. NPO Energomash er ved at udvikle en tre-komponent motor. En sådan raketmotor med flydende drivmiddel kunne bruges som motor til både første og andet trin. I det første trin bruger den veludviklede komponenter: ilt, flydende petroleum, og hvis du tilføjer omkring fem procent mere brint, så vil den specifikke impuls stige betydeligt - en af motorens vigtigste energikarakteristika, hvilket betyder, at mere nyttelast kan sendes ud i rummet. I det første trin produceres al petroleum med tilsætning af brint, og i den anden skifter den samme motor fra drift på tre-komponent brændstof til en to-komponent en - brint og oxygen.

Vi har allerede skabt en eksperimentel motor, omend af en lille dimension og et tryk på kun omkring 7 tons, udført 44 test, lavet fuldskala blandeelementer i dyserne, i gasgeneratoren, i forbrændingskammeret og fundet ud af, at du kan først arbejde på tre komponenter og derefter nemt skifte til to. Alt fungerer, en høj forbrændingseffektivitet opnås, men for at gå videre har vi brug for en større prøve, vi skal modificere stativerne for at lancere de komponenter, som vi skal bruge i en rigtig motor i forbrændingskammeret: flydende brint og ilt, samt petroleum. Jeg synes, det er en meget lovende retning og et stort skridt fremad. Og jeg håber at have tid til at lave noget i løbet af mit liv.

- Hvorfor har amerikanerne, efter at have fået retten til at reproducere RD-180, ikke været i stand til at lave den i mange år?

- Amerikanerne er meget pragmatiske. I 1990'erne, helt i begyndelsen af deres arbejde med os, indså de, at på energiområdet var vi langt foran dem, og vi var nødt til at tage disse teknologier fra os. For eksempel kunne vores RD-170-motor i én start, på grund af en højere specifik impuls, tage en nyttelast to tons mere end deres kraftigste F-1, hvilket på det tidspunkt betød 20 millioner dollars i gevinst. De annoncerede en konkurrence om en 400-tons motor til deres Atlas, som blev vundet af vores RD-180. Så troede amerikanerne, at de ville begynde at arbejde med os, og om fire år ville de tage vores teknologier og selv reproducere dem. Jeg fortalte dem med det samme: I vil bruge mere end en milliard dollars og ti år. Der er gået fire år, og de siger: ja, der skal seks år til. Der er gået flere år, siger de: nej, der skal otte år til. Sytten år er gået, og de har ikke reproduceret en eneste motor. De har nu brug for milliarder af dollars alene til bænkudstyr. Hos Energomash har vi stande, hvor den samme RD-170 motor kan testes i et trykkammer, hvis jeteffekt når op på 27 millioner kilowatt.

- Jeg hørte rigtigt - 27 gigawatt? Dette er mere end den installerede kapacitet for alle Rosatom-kernekraftværker.

- Syvogtyve gigawatt er styrken af jetflyet, som udvikler sig på relativt kort tid. Under test på standeren slukkes strålens energi først i en speciel pool, derefter i et dispersionsrør på 16 meter i diameter og 100 meter højt. Det kræver mange penge at bygge en testbænk som denne, der kan huse en motor, der genererer sådan en kraft. Det har amerikanerne nu opgivet og tager det færdige produkt. Derfor sælger vi ikke råvarer, men et produkt med en enorm værditilvækst, hvor der investeres meget intellektuel arbejdskraft. Desværre er dette i Rusland et sjældent eksempel på højteknologisk salg i udlandet i så stor en mængde. Men dette beviser, at med den korrekte formulering af spørgsmålet er vi i stand til meget.

- Boris Ivanovich, hvad skal der gøres for ikke at miste forspringet fra den sovjetiske raketmotorbygning? Sandsynligvis er et andet problem, bortset fra manglen på finansiering til F&U, også meget smertefuldt - personale?

- For at blive på verdensmarkedet skal man hele tiden frem, skabe nye produkter. Tilsyneladende, indtil enden af os blev presset ned og tordenen slog. Men staten er nødt til at indse, at den uden nye udviklinger vil befinde sig på randen af verdensmarkedet, og i dag, i denne overgangsperiode, mens vi endnu ikke er vokset til normal kapitalisme, må den først og fremmest investere i det nye - staten. Så kan du overføre udviklingen til udgivelsen af en serie til en privat virksomhed på vilkår til gavn for både staten og erhvervslivet. Jeg tror ikke på, at det er umuligt at finde på fornuftige metoder til at skabe noget nyt, uden dem er det nytteløst at tale om udvikling og innovationer.

Der er personale. Jeg er leder af en afdeling på Moskva Luftfartsinstitut, hvor vi uddanner både motorspecialister og laserspecialister. Fyrene er kloge, de vil gøre den forretning, de lærer, men du skal give dem en normal indledende impuls, så de ikke går, som mange mennesker gør nu, for at skrive programmer til distribution af varer i butikker. Til dette er det nødvendigt at skabe et passende laboratoriemiljø for at give en anstændig løn. Byg den korrekte struktur for samspillet mellem videnskaben og undervisningsministeriet. Det samme Videnskabsakademi løser mange spørgsmål relateret til personaleuddannelse. Blandt de nuværende medlemmer af akademiet, tilsvarende medlemmer, er der faktisk mange specialister, der administrerer højteknologiske virksomheder og forskningsinstitutter, magtfulde designbureauer. De er direkte interesserede i de afdelinger, der er tildelt deres organisationer for at uddanne de nødvendige specialister inden for teknologi, fysik, kemi, så de straks modtager ikke bare en specialiseret universitetsuddannet, men en færdiglavet specialist med noget liv og videnskabelig og teknisk erfaring. Sådan har det altid været: De bedste specialister blev født i institutter og virksomheder, hvor der fandtes uddannelsesafdelinger. Hos Energomash og hos NPO Lavochkin har vi afdelinger af afdelingen af Moscow Aviation Institute "Kometa", som jeg er ansvarlig for. Der er gamle kadrer, som kan give oplevelsen videre til de unge. Men der er meget lidt tid tilbage, og tabene vil være uerholdelige: For blot at vende tilbage til det nuværende niveau, skal du bruge meget mere indsats, end der er nødvendigt i dag for at opretholde det.