Per què els nord-americans no poden fabricar motors espacials?

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

El creador dels millors motors de coets de propulsió líquida del món, l'acadèmic Boris Katorgin, explica per què els nord-americans encara no poden repetir els nostres èxits en aquesta àrea i com mantenir l'avantatge soviètic en el futur.

El 21 de juny, al Fòrum Econòmic de Sant Petersburg, es van lliurar els guanyadors del Global Energy Prize. Una comissió autoritzada d'experts de la indústria de diferents països va seleccionar tres sol·licituds de les 639 presentades i va nomenar els guanyadors del premi 2012, que s'anomena comunament el "Premi Nobel per als enginyers elèctrics". Com a resultat, aquest any, el famós inventor britànic, el professor Rodney John Allam, i dos dels nostres científics destacats, els acadèmics de l'Acadèmia de Ciències de Rússia Boris Katorgin i Valery Kostyuk, van compartir 33 milions de rubles premium aquest any.

Tots tres estan relacionats amb la creació de tecnologia criogènica, l'estudi de les propietats dels productes criogènics i la seva aplicació en diverses centrals elèctriques. L'acadèmic Boris Katorgin va ser guardonat "pel desenvolupament de motors de coets de propulsió líquida altament eficients amb combustibles criogènics, que proporcionen un funcionament fiable de sistemes espacials amb paràmetres d'alta energia per a l'ús pacífic de l'espai". Amb la participació directa de Katorgin, que va dedicar més de cinquanta anys a l'empresa OKB-456, ara coneguda com a NPO Energomash, es van crear motors de coets de propulsió líquida (LRE), el rendiment dels quals encara es considera el millor del món. El mateix Katorgin es va dedicar al desenvolupament d'esquemes per organitzar el procés de treball en motors, formació de barreges de components de combustible i eliminació de pulsacions a la cambra de combustió. També són coneguts els seus treballs fonamentals sobre motors de coets nuclears (NRE) amb un alt impuls específic i desenvolupaments en el camp de la creació de potents làsers químics continus.

En els moments més difícils per a les organitzacions russes intensives en ciència, del 1991 al 2009, Boris Katorgin va dirigir NPO Energomash, combinant els càrrecs de director general i dissenyador general, i va aconseguir no només mantenir l'empresa, sinó també crear una sèrie de nous motors. L'absència d'una comanda interna de motors va obligar a Katorgin a buscar un client al mercat extern. Un dels nous motors va ser el RD-180, desenvolupat l'any 1995 específicament per a la participació en una licitació organitzada per la corporació nord-americana Lockheed Martin, que va triar un motor de coet de propulsor líquid per al vehicle de llançament Atlas que s'actualitzava en aquell moment. Com a resultat, NPO Energomash va signar un acord per al subministrament de 101 motors i a principis de 2012 ja havia subministrat més de 60 motors de coets als Estats Units, 35 dels quals van ser operats amb èxit a Atlas en el llançament de satèl·lits per a diversos propòsits..

Abans de l'atorgament del premi, l'Expert va parlar amb l'acadèmic Boris Katorgin sobre l'estat i les perspectives del desenvolupament dels motors de coets de propulsió líquida i va descobrir per què els motors basats en desenvolupaments de fa quaranta anys encara es consideren innovadors, i el RD-180. no es va poder recrear a les fàbriques americanes.

- Boris Ivanovich, quin és exactament el vostre mèrit en la creació de motors a reacció de propulsor líquid domèstic, que ara es consideren els millors del món?

- Per explicar això a un profà, probablement necessiteu una habilitat especial. Per als motors de coets de propulsió líquida, vaig desenvolupar cambres de combustió, generadors de gas; en general, va supervisar la creació dels propis motors per a l'exploració pacífica de l'espai exterior. (A les cambres de combustió, el combustible i l'oxidant es barregen i es cremen, i es forma un volum de gasos calents que, després expulsats a través dels broquets, creen l'empenta real del raig; els generadors de gas també cremen la barreja de combustible, però ja per al funcionament de les bombes turbo, que bombegen combustible i oxidant sota una pressió enorme a la mateixa cambra de combustió. - "Expert".)

- Esteu parlant d'exploració espacial pacífica, tot i que és obvi que tots els motors amb empenta des de diverses desenes fins a 800 tones, que es van crear a NPO Energomash, estaven destinats principalment a necessitats militars.

- No vam haver de llançar una sola bomba atòmica, no vam lliurar una sola càrrega nuclear als nostres míssils a l'objectiu, i gràcies a Déu. Tots els desenvolupaments militars van anar a l'espai pacífic. Podem estar orgullosos de l'enorme contribució del nostre coet i la tecnologia espacial al desenvolupament de la civilització humana. Gràcies a l'astronàutica van néixer clústers tecnològics sencers: navegació espacial, telecomunicacions, televisió per satèl·lit i sistemes de detecció.

- El motor del míssil balístic intercontinental R-9, en el qual vau treballar, va formar la base de gairebé tot el nostre programa tripulat.

- A finals dels anys 50, vaig dur a terme treballs computacionals i experimentals per millorar la formació de mescles a les cambres de combustió del motor RD-111, que estava destinat a aquell mateix coet. Els resultats del treball encara s'utilitzen en els motors RD-107 i RD-108 modificats per al mateix coet Soiuz; s'hi van realitzar uns dos mil vols espacials, inclosos tots els programes tripulats.

- Fa dos anys vaig entrevistar el vostre col·lega, l'acadèmic premiat amb l'energia global Alexander Leontyev. En una conversa sobre especialistes tancada al públic en general, que va ser el mateix Leontyev, va esmentar Vitaly Ievlev, que també va fer molt per la nostra indústria espacial.

- Molts acadèmics que treballaven per a la indústria de la defensa van ser classificats - això és un fet. Ara s'han desclassificat molt, això també és un fet. Conec molt bé a Alexander Ivanovich: va treballar en la creació de mètodes de càlcul i mètodes per refredar les cambres de combustió de diversos motors de coets. Solucionar aquest problema tecnològic no va ser fàcil, sobretot quan vam començar a extreure al màxim l'energia química de la mescla de combustible per obtenir el màxim impuls específic, augmentant, entre altres mesures, la pressió a les cambres de combustió fins a les 250 atmosferes. Prenem el nostre motor més potent: RD-170. Consum de combustible amb un agent oxidant - querosè amb oxigen líquid que passa pel motor - 2,5 tones per segon. Els fluxos de calor en ell arriben als 50 megawatts per metre quadrat: aquesta és una energia enorme. La temperatura a la cambra de combustió és de 3, 5 mil graus centígrads. Va ser necessari plantejar un refredament especial per a la cambra de combustió perquè pogués funcionar calculada i suportar el capçal tèrmic. Alexander Ivanovich va fer exactament això i, he de dir, va fer una feina excel·lent. Vitaly Mikhailovich Ievlev - Membre corresponent de l'Acadèmia Russa de Ciències, Doctor en Ciències Tècniques, Professor, que, malauradament, va morir bastant aviat, - era un científic del perfil més ampli, posseïa una erudició enciclopèdica. Com Leontiev, va treballar molt en la metodologia de càlcul d'estructures tèrmiques d'alta tensió. El seu treball es va creuar en algun lloc, en algun lloc es van integrar i, com a resultat, es va obtenir un mètode excel·lent pel qual és possible calcular la intensitat de calor de qualsevol cambra de combustió; ara, potser, utilitzant-lo, qualsevol estudiant ho pot fer. A més, Vitaly Mikhailovich va participar activament en el desenvolupament de motors nuclears de coets de plasma. Aquí els nostres interessos es van creuar en els anys en què Energomash feia el mateix.

- En la nostra conversa amb Leontyev, vam parlar de la venda dels motors energomash RD-180 als EUA, i Alexander Ivanovich va dir que, en molts aspectes, aquest motor és el resultat dels desenvolupaments que es van fer just durant la creació del RD-170., i en cert sentit la meitat. És realment aquest el resultat del retroescala?

- Qualsevol motor en una nova dimensió és, per descomptat, un nou aparell. RD-180 amb una empenta de 400 tones és en realitat la meitat de la mida del RD-170 amb una empenta de 800 tones. El RD-191, dissenyat per al nostre nou coet Angara, té una empenta de 200 tones. Què tenen en comú aquests motors? Tots tenen una bomba turbo, però la RD-170 té quatre cambres de combustió, la RD-180 "americana" en té dues i la RD-191 en té una. Cada motor necessita la seva pròpia unitat de bomba turbo, després de tot, si el RD-170 de quatre cambres consumeix unes 2,5 tones de combustible per segon, per a això es va desenvolupar una bomba turbo amb una capacitat de 180 mil quilowatts, que és més de dues vegades. superior a, per exemple, la potència del reactor del trencaglaç atòmic "Arktika", llavors el RD-180 de dues càmeres - només la meitat, 1, 2 tones. En el desenvolupament de les bombes turbo per als RD-180 i RD-191, vaig participar directament i, alhora, vaig liderar la creació d'aquests motors en conjunt.

- Així que la cambra de combustió és la mateixa en tots aquests motors, només el seu nombre és diferent?

- Sí, i aquest és el nostre principal èxit. En una d'aquestes cambres amb un diàmetre de només 380 mil·límetres, es cremen una mica més de 0,6 tones de combustible per segon. Sense exagerar, aquesta càmera és un equip únic d'alt estrès tèrmic amb cinturons especials per protegir-se dels potents fluxos de calor. La protecció es realitza no només a causa del refredament extern de les parets de la cambra, sinó també a causa d'un mètode enginyós per "revestir" una pel·lícula de combustible, que s'evapora i refreda la paret. Sobre la base d'aquesta càmera excepcional, que no té igual al món, fabriquem els nostres millors motors: RD-170 i RD-171 per a Energia i Zenit, RD-180 per a l'Atlas americà i RD-191 per al nou míssil rus. "Angara".

- Se suposava que "Angara" havia de substituir "Proton-M" fa uns quants anys, però els creadors del coet es van enfrontar a problemes greus, les primeres proves de vol es van ajornar repetidament i el projecte sembla que segueix aturat.

- Realment hi havia problemes. Ara s'ha pres la decisió de llançar el coet el 2013. La particularitat de l'Angara és que, a partir dels seus mòduls de coets universals, és possible crear tota una família de vehicles de llançament amb una capacitat de càrrega útil de 2,5 a 25 tones per llançar càrrega a l'òrbita terrestre baixa sobre la base de la Motor universal d'oxigen i querosè RD-191. Angara-1 té un motor, Angara-3 - tres amb una empenta total de 600 tones, Angara-5 tindrà 1000 tones d'empenta, és a dir, podrà posar més càrrega en òrbita que Proton. A més, en comptes de l'heptil molt tòxic, que es crema als motors Proton, utilitzem combustible respectuós amb el medi ambient, després del qual només queda aigua i diòxid de carboni.

- Com va passar que el mateix RD-170, que es va crear a mitjans dels anys setanta, segueix sent, de fet, un producte innovador, i les seves tecnologies s'utilitzen com a base per a nous motors de coets?

- Una història similar va passar amb un avió creat després de la Segona Guerra Mundial per Vladimir Mikhailovich Myasishchev (un bombarder estratègic de llarg abast de la sèrie M, desenvolupat per l'OKB-23 de Moscou dels anys 50 - "Expert"). En molts aspectes, l'avió es va avançar trenta anys al seu temps, i els elements del seu disseny van ser manllevats per altres fabricants d'avions. Així és aquí: al RD-170 hi ha molts elements nous, materials, solucions de disseny. Segons les meves estimacions, no quedaran obsolets durant unes quantes dècades més. Això es deu principalment al fundador de NPO Energomash i al seu dissenyador general Valentin Petrovich Glushko i al membre corresponent de l'Acadèmia Russa de Ciències Vitaly Petrovich Radovsky, que va dirigir l'empresa després de la mort de Glushko. (Tingueu en compte que les millors característiques energètiques i operatives del món del RD-170 es deuen en gran part a la solució de Katorgin al problema de suprimir la inestabilitat de la combustió d'alta freqüència mitjançant el desenvolupament de deflectors antipulsació a la mateixa cambra de combustió. - "Expert".) I el primer -etapa del motor RD-253 per al coet portador "Proton"? Presentat l'any 1965, és tan perfecte que encara no ha estat superat per ningú. Així és com Glushko va ensenyar a dissenyar, al límit del possible i sempre per sobre de la mitjana mundial. També és important recordar una altra cosa: el país ha invertit en el seu futur tecnològic. Com va ser a la Unió Soviètica? El Ministeri de Construcció General de Màquines, que, en particular, s'encarregava de l'espai i els coets, va destinar el 22 per cent del seu enorme pressupost només a R+D, en tots els àmbits, inclosa la propulsió. Avui, el finançament de la investigació és molt menor i això diu molt.

- L'assoliment d'algunes qualitats perfectes per part d'aquests motors de coets, i això va passar fa mig segle, que un motor de coets amb una font d'energia química està en cert sentit desfasat: els principals descobriments s'han fet en les noves generacions de motors de coets?, ara parlem més de les anomenades innovacions de suport??

- Certament no. Els motors de coets de propulsió líquida es demanen i ho seran durant molt de temps, perquè cap altra tecnologia és capaç d'aixecar una càrrega de la Terra de manera més fiable i econòmica i posar-la en òrbita terrestre baixa. Són respectuosos amb el medi ambient, especialment aquells que funcionen amb oxigen líquid i querosè. Però per als vols a estrelles i altres galàxies, els motors de coets de propulsió líquida, per descomptat, són completament inadequats. La massa de tota la metagalàxia és de 10 a 56 graus de grams. Per accelerar en un motor de propulsor líquid a almenys una quarta part de la velocitat de la llum, es requereix una quantitat absolutament increïble de combustible: de 10 a 3200 grams, de manera que fins i tot pensar-hi és estúpid. El motor de coets de propulsió líquida té el seu propi nínxol: motors de suport. En els motors líquids, podeu accelerar el portador a la segona velocitat còsmica, volar a Mart i ja està.

- La següent etapa: motors de coets nuclears?

- Certament. No se sap si viurem per veure algunes de les etapes, però s'ha fet molt per al desenvolupament de motors de coets de propulsió nuclear ja en l'època soviètica. Ara, sota el lideratge del Centre Keldysh, dirigit per l'acadèmic Anatoly Sazonovich Koroteev, s'està desenvolupant l'anomenat mòdul de transport i energia. Els dissenyadors van arribar a la conclusió que és possible crear un reactor nuclear refrigerat per gas que sigui menys estressant que a l'URSS, que funcionarà tant com a central elèctrica com com a font d'energia per als motors de plasma quan viatgen a l'espai.. Aquest reactor s'està dissenyant ara al NIKIET que porta el nom de N. A. Dollezhal sota el lideratge del membre corresponent de l'Acadèmia de Ciències de Rússia Yuri Dragunov. L'oficina de disseny de Kaliningrad "Fakel" també participa en el projecte, on s'estan creant motors de propulsió elèctrica. Com en l'època soviètica, no es prescindirà de l'Oficina de Disseny d'Automàtica Química de Voronezh, on es fabricaran turbines de gas i compressors per conduir un refrigerant: una mescla de gasos en circuit tancat.

- Mentrestant, anem al motor del coet?

- Per descomptat, i veiem clarament les perspectives per al desenvolupament posterior d'aquests motors. Hi ha tasques tàctiques a llarg termini, aquí no hi ha límit: la introducció de nous recobriments més resistents a la calor, nous materials compostos, una disminució de la massa dels motors, un augment de la seva fiabilitat i una simplificació del control. esquema. Es poden introduir una sèrie d'elements per controlar millor el desgast de les peces i altres processos que es produeixen al motor. Hi ha tasques estratègiques: per exemple, el desenvolupament de metà liquat i acetilè com a combustible juntament amb amoníac o combustible de tres components. NPO Energomash està desenvolupant un motor de tres components. Aquest motor de coet de propulsor líquid es podria utilitzar com a motor tant per a la primera com per a la segona. En la primera etapa, utilitza components ben desenvolupats: oxigen, querosè líquid, i si afegiu al voltant d'un cinc per cent més d'hidrogen, l'impuls específic augmentarà significativament, una de les principals característiques energètiques del motor, la qual cosa significa que més càrrega útil. es pot enviar a l'espai. En la primera etapa, tot el querosè es produeix amb l'addició d'hidrogen, i en la segona, el mateix motor passa de funcionar amb combustible de tres components a un de dos components: hidrogen i oxigen.

Ja hem creat un motor experimental, encara que de petita dimensió i una empenta d'unes 7 tones, hem realitzat 44 proves, hem fet elements de mescla a gran escala als broquets, al generador de gas, a la cambra de combustió i hem descobert que primer podeu treballar en tres components i després canviar-ne sense problemes. Tot funciona, s'aconsegueix una alta eficiència de combustió, però per anar més enllà necessitem una mostra més gran, hem de modificar els suports per llançar a la cambra de combustió els components que anem a utilitzar en un motor real: hidrogen líquid i oxigen, així com querosè. Crec que aquesta és una direcció molt prometedora i un gran pas endavant. I espero tenir temps per fer alguna cosa durant la meva vida.

- Per què els nord-americans, després d'haver rebut el dret a reproduir la RD-180, fa molts anys que no la poden fer?

- Els nord-americans són molt pragmàtics. A la dècada dels 90, al començament de la seva feina amb nosaltres, es van adonar que en el camp energètic estàvem molt per davant d'ells i les havíem d'adoptar aquestes tecnologies. Per exemple, el nostre motor RD-170 d'un sol inici, a causa d'un impuls específic més elevat, podria treure una càrrega útil dues tones més que el seu F-1 més potent, que en aquell moment suposava un guany de 20 milions de dòlars. Van anunciar un concurs per a un motor de 400 tones per als seus Atlas, que va guanyar el nostre RD-180. Llavors els americans van pensar que començarien a treballar amb nosaltres, i en quatre anys agafarien les nostres tecnologies i les reproduirien ells mateixos. Els vaig dir de seguida: gastareu més de mil milions de dòlars i deu anys. Han passat quatre anys, i diuen: sí, calen sis. Han passat més anys, diuen: no, necessitem vuit anys més. Han passat disset anys, i no han reproduït ni un sol motor. Ara necessiten milers de milions de dòlars només per a equips de banc. A Energomash disposem d'estands on es pot provar el mateix motor RD-170 en una cambra de pressió, la potència de raig de la qual arriba als 27 milions de quilowatts.

- He sentit bé - 27 gigawatts? Això és més que la capacitat instal·lada de totes les centrals nuclears de Rosatom.

- Vint-i-set gigawatts és la potència del jet, que es desenvolupa en relativament poc temps. Durant les proves a l'estand, l'energia del doll s'extingeix primer en una piscina especial, després en un tub de dispersió de 16 metres de diàmetre i 100 metres d'alçada. Es necessiten molts diners per construir un banc de proves com aquest que pugui albergar un motor que generi tanta potència. Els nord-americans han renunciat a això i prenen el producte acabat. En conseqüència, no venem matèries primeres, sinó un producte amb un gran valor afegit, en el qual s'inverteix una mà d'obra altament intel·lectual. Malauradament, a Rússia aquest és un exemple rar de vendes d'alta tecnologia a l'estranger en un volum tan gran. Però això demostra que amb la formulació correcta de la pregunta, som capaços de molt.

- Boris Ivanovich, què s'ha de fer per no perdre l'avantatge que va guanyar la construcció de motors de coets soviètics? Probablement, a part de la manca de finançament per a R+D, també és molt dolorós un altre problema: el personal?

- Per mantenir-se al mercat mundial, cal avançar tot el temps, crear nous productes. Pel que sembla, fins al final de nosaltres va ser pressionat cap avall i el tron va caure. Però l'estat ha d'adonar-se que sense nous desenvolupaments es trobarà als marges del mercat mundial, i avui, en aquest període de transició, mentre encara no hem arribat al capitalisme normal, primer de tot ha d'invertir en el nou… l'Estat. A continuació, podeu transferir el desenvolupament per al llançament d'una sèrie a una empresa privada en condicions beneficioses tant per a l'estat com per a les empreses. No crec que sigui impossible trobar mètodes raonables per crear alguna cosa nova, sense ells és inútil parlar de desenvolupament i innovacions.

Hi ha personal. Sóc el cap d'un departament de l'Institut d'Aviació de Moscou, on formem tant especialistes en motors com en làser. Els nois són intel·ligents, volen fer el negoci que estan aprenent, però cal donar-los un impuls inicial normal perquè no surtin, com fa molta gent ara, a escriure programes de distribució de mercaderies a les botigues. Per a això cal crear un entorn de laboratori adequat, per donar un sou digne. Construir l'estructura correcta d'interacció entre la ciència i el Ministeri d'Educació. La mateixa Acadèmia de Ciències resol moltes qüestions relacionades amb la formació del personal. De fet, entre els membres actuals de l'acadèmia, membres corresponents, hi ha molts especialistes que gestionen empreses d'alta tecnologia i instituts de recerca, potents oficines de disseny. Estan directament interessats en els departaments assignats a les seves organitzacions per formar els especialistes necessaris en l'àmbit de la tecnologia, la física, la química, de manera que immediatament rebin no només un graduat universitari especialitzat, sinó un especialista preparat amb una mica de vida i científics i experiència tècnica. Sempre ha estat així: els millors especialistes van néixer en instituts i empreses on hi havia departaments educatius. A Energomash i a NPO Lavochkin tenim departaments de la branca de l'Institut d'Aviació de Moscou "Kometa", que estic al capdavant. Hi ha quadres vells que poden transmetre l'experiència als joves. Però queda molt poc temps i les pèrdues seran irrecuperables: per simplement tornar al nivell actual, caldrà dedicar molt més esforç del que es necessita avui per mantenir-lo.