Waarom kunnen Amerikanen geen ruimtemotoren maken?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

De maker van 's werelds beste raketmotoren voor vloeibare stuwstof, academicus Boris Katorgin, legt uit waarom de Amerikanen onze prestaties op dit gebied nog steeds niet kunnen herhalen en hoe ze de Sovjet-voorsprong in de toekomst kunnen behouden.

Op 21 juni werden op het St. Petersburg Economic Forum de winnaars van de Global Energy Prize uitgereikt. Een gezaghebbende commissie van industrie-experts uit verschillende landen selecteerde drie aanvragen uit 639 ingediende aanvragen en noemde de winnaars van de prijs van 2012, die gewoonlijk de "Nobelprijs voor energie-ingenieurs" wordt genoemd. Als gevolg hiervan werden dit jaar 33 miljoen premium roebel gedeeld door de beroemde uitvinder uit Groot-Brittannië, professor Rodney John Allam, en twee van onze uitstekende wetenschappers - academici van de Russische Academie van Wetenschappen Boris Katorgin en Valery Kostyuk.

Alle drie hebben ze te maken met de totstandkoming van cryogene technologie, de studie van de eigenschappen van cryogene producten en hun toepassing in verschillende energiecentrales. Academicus Boris Katorgin werd bekroond "voor de ontwikkeling van zeer efficiënte raketmotoren met vloeibare stuwstof op cryogene brandstoffen, die een betrouwbare werking van ruimtesystemen met hoge energieparameters bieden voor een vreedzaam gebruik van de ruimte." Met de directe deelname van Katorgin, die zich meer dan vijftig jaar wijdde aan de OKB-456-onderneming, nu bekend als NPO Energomash, werden raketmotoren met vloeibare stuwstof (LRE) gecreëerd, waarvan de prestaties nog steeds als de beste ter wereld worden beschouwd. Katorgin zelf was bezig met de ontwikkeling van schema's voor het organiseren van het werkproces in motoren, mengselvorming van brandstofcomponenten en eliminatie van pulsatie in de verbrandingskamer. Ook bekend zijn zijn fundamentele werk aan nucleaire raketmotoren (NRE) met een hoge specifieke impuls en ontwikkelingen op het gebied van het creëren van krachtige continue chemische lasers.

In de moeilijkste tijden voor Russische wetenschapsintensieve organisaties, van 1991 tot 2009, stond Boris Katorgin aan het hoofd van NPO Energomash, waarbij hij de functies van algemeen directeur en algemeen ontwerper combineerde, en slaagde hij er niet alleen in om het bedrijf te behouden, maar ook om een aantal nieuwe motoren. Het uitblijven van een interne order voor motoren dwong Korgin om op zoek te gaan naar een klant in de externe markt. Een van de nieuwe motoren was de RD-180, die in 1995 speciaal werd ontwikkeld voor deelname aan een aanbesteding georganiseerd door het Amerikaanse bedrijf Lockheed Martin, dat een raketmotor met vloeibare stuwstof koos voor het Atlas-draagraket dat op dat moment werd geüpgraded. Als gevolg hiervan tekende NPO Energomash een overeenkomst voor de levering van 101 motoren en had begin 2012 al meer dan 60 raketmotoren aan de Verenigde Staten geleverd, waarvan 35 met succes op Atlas werden ingezet bij de lancering van satellieten voor verschillende doeleinden.

Voorafgaand aan de uitreiking van de prijs sprak de expert met academicus Boris Katorgin over de staat en vooruitzichten van de ontwikkeling van raketmotoren voor vloeibare stuwstof en ontdekte hij waarom motoren op basis van ontwikkelingen van veertig jaar geleden nog steeds als innovatief worden beschouwd, en de RD-180 kon niet worden nagemaakt in Amerikaanse fabrieken.

- Boris Ivanovich, wat is precies je verdienste bij het creëren van huishoudelijke straalmotoren met vloeibare stuwstof, die nu als de beste ter wereld worden beschouwd?

- Om dit aan een leek uit te leggen, heb je waarschijnlijk een speciale vaardigheid nodig. Voor raketmotoren met vloeibare stuwstof ontwikkelde ik verbrandingskamers, gasgeneratoren; in het algemeen hield hij toezicht op de creatie van de motoren zelf voor de vreedzame verkenning van de ruimte. (In de verbrandingskamers worden de brandstof en het oxidatiemiddel gemengd en verbrand, en er wordt een hoeveelheid hete gassen gevormd, die vervolgens door de sproeiers worden uitgestoten, waardoor de werkelijke jetstuwkracht ontstaat; gasgeneratoren verbranden ook het brandstofmengsel, maar al voor de werking van turbopompen, die brandstof en oxidatiemiddel onder enorme druk in dezelfde verbrandingskamer pompen. - "Expert".)

- U hebt het over vreedzame verkenning van de ruimte, hoewel het duidelijk is dat alle motoren met stuwkracht van enkele tientallen tot 800 ton, die bij NPO Energomash zijn gemaakt, in de eerste plaats bedoeld waren voor militaire doeleinden.

- We hoefden geen enkele atoombom te laten vallen, we hebben geen enkele nucleaire lading op onze raketten naar het doelwit gebracht, en godzijdank. Alle militaire ontwikkelingen gingen naar vreedzame ruimte. We kunnen trots zijn op de enorme bijdrage van onze raket- en ruimtetechnologie aan de ontwikkeling van de menselijke beschaving. Dankzij de ruimtevaart werden hele technologische clusters geboren: ruimtenavigatie, telecommunicatie, satelliettelevisie en detectiesystemen.

- De motor voor de R-9 intercontinentale ballistische raket, waaraan u werkte, vormde toen de basis van bijna al ons bemande programma.

- Eind jaren vijftig voerde ik computer- en experimenteel werk uit om de mengselvorming in de verbrandingskamers van de RD-111-motor, die voor diezelfde raket was bedoeld, te verbeteren. De resultaten van het werk worden nog steeds gebruikt in de gemodificeerde RD-107- en RD-108-motoren voor dezelfde Sojoez-raket; er werden ongeveer tweeduizend ruimtevluchten op uitgevoerd, inclusief alle bemande programma's.

- Twee jaar geleden interviewde ik uw collega, Global Energy Laureate Academicus Alexander Leontyev. In een gesprek over specialisten gesloten voor het grote publiek, dat Leontyev zelf ooit was, noemde hij Vitaly Ievlev, die ook veel voor onze ruimtevaartindustrie heeft gedaan.

- Veel academici die voor de defensie-industrie werkten, werden geclassificeerd - dit is een feit. Nu is er veel vrijgegeven - dat is ook een feit. Ik ken Alexander Ivanovich heel goed: hij werkte aan het maken van berekeningsmethoden en methoden voor het koelen van de verbrandingskamers van verschillende raketmotoren. Het oplossen van dit technologische probleem was niet eenvoudig, vooral toen we de chemische energie van het brandstofmengsel zoveel mogelijk naar buiten begonnen te persen om de maximale specifieke impuls te verkrijgen, waarbij onder andere de druk in de verbrandingskamers werd verhoogd tot 250 atmosfeer. Laten we onze krachtigste motor nemen: de RD-170. Brandstofverbruik met een oxidatiemiddel - kerosine met vloeibare zuurstof die door de motor gaat - 2,5 ton per seconde. Warmtestromen erin bereiken 50 megawatt per vierkante meter - dit is een enorme energie. De temperatuur in de verbrandingskamer is 3, 5 duizend graden Celsius. Het was noodzakelijk om een speciale koeling voor de verbrandingskamer te bedenken, zodat deze berekend kon werken en de thermische kop kon weerstaan. Alexander Ivanovich deed precies dat, en ik moet zeggen, hij deed het uitstekend. Vitaly Mikhailovich Ievlev - corresponderend lid van de Russische Academie van Wetenschappen, doctor in de technische wetenschappen, professor, die helaas vrij vroeg stierf, - was een wetenschapper van het breedste profiel, bezat een encyclopedische eruditie. Net als Leontiev werkte hij veel aan de methodologie voor het berekenen van thermische structuren met hoge spanning. Hun werk kruiste elkaar ergens, ergens waren ze geïntegreerd, en als resultaat werd een uitstekende methode verkregen waarmee het mogelijk is om de warmte-intensiteit van alle verbrandingskamers te berekenen; nu, misschien, als hij het gebruikt, kan elke student het doen. Bovendien nam Vitaly Mikhailovich actief deel aan de ontwikkeling van nucleaire, plasmaraketmotoren. Hier kruisten onze interesses in de jaren dat Energomash hetzelfde deed.

- In ons gesprek met Leontyev hebben we het gehad over de verkoop van de RD-180 energomash-motoren in de VS, en Alexander Ivanovich zei dat deze motor in veel opzichten het resultaat is van ontwikkelingen die net tijdens de creatie van de RD-170 zijn gemaakt, en in zekere zin de helft. Is dit echt het resultaat van de backscaling?

- Elke motor in een nieuwe dimensie is natuurlijk een nieuw apparaat. RD-180 met een stuwkracht van 400 ton is eigenlijk half zo groot als de RD-170 met een stuwkracht van 800 ton. De RD-191, ontworpen voor onze nieuwe Angara-raket, heeft een stuwkracht van 200 ton. Wat hebben deze motoren gemeen? Ze hebben allemaal één turbopomp, maar de RD-170 heeft vier verbrandingskamers, de "Amerikaanse" RD-180 heeft er twee en de RD-191 heeft er één. Elke motor heeft zijn eigen turbopompeenheid nodig - immers, als de vierkamer RD-170 ongeveer 2,5 ton brandstof per seconde verbruikt, waarvoor een turbopomp met een capaciteit van 180.000 kilowatt is ontwikkeld, wat meer dan twee keer is hoger dan bijvoorbeeld het reactorvermogen van de atoomijsbreker "Arktika", dan de tweekamer RD-180 - slechts de helft, 1, 2 ton. Bij de ontwikkeling van turbopompen voor de RD-180 en RD-191 nam ik direct deel en leidde ik tegelijkertijd de creatie van deze motoren als geheel.

- Dus de verbrandingskamer is bij al deze motoren hetzelfde, alleen het aantal is anders?

- Ja, en dit is onze belangrijkste prestatie. In zo'n kamer met een diameter van slechts 380 millimeter wordt iets meer dan 0,6 ton brandstof per seconde verbrand. Zonder overdrijving is deze camera een unieke high-heat-stress-uitrusting met speciale riemen om te beschermen tegen krachtige hittestromen. Bescherming wordt niet alleen uitgevoerd door externe koeling van de kamerwanden, maar ook door een ingenieuze methode om er een brandstoffilm op te "bekleden", die verdampt en de muur afkoelt. Op basis van deze uitstekende camera, die zijn gelijke niet kent in de wereld, produceren we onze beste motoren: RD-170 en RD-171 voor Energia en Zenit, RD-180 voor de Amerikaanse Atlas en RD-191 voor de nieuwe Russische raket "Angara".

- "Angara" moest enkele jaren geleden "Proton-M" vervangen, maar de makers van de raket hadden ernstige problemen, de eerste vliegtests werden herhaaldelijk uitgesteld en het project lijkt te blijven stagneren.

- Er waren echt problemen. Er is nu besloten om de raket in 2013 te lanceren. Het bijzondere van de Angara is dat het op basis van zijn universele raketmodules mogelijk is om een hele familie lanceervoertuigen te creëren met een laadvermogen van 2,5 tot 25 ton om lading in een lage baan om de aarde te lanceren op basis van de RD-191 universele zuurstof-kerosinemotor. Angara-1 heeft één motor, Angara-3 - drie met een totale stuwkracht van 600 ton, Angara-5 zal 1000 ton stuwkracht hebben, dat wil zeggen, het zal meer lading in een baan om de aarde kunnen brengen dan Proton. Daarnaast gebruiken we in plaats van het zeer giftige heptyl, dat in de Protonmotoren wordt verbrand, milieuvriendelijke brandstof, waarna alleen water en kooldioxide overblijft.

- Hoe kwam het dat dezelfde RD-170, die halverwege de jaren zeventig werd gemaakt, nog steeds een innovatief product is en dat zijn technologieën worden gebruikt als basis voor nieuwe raketmotoren?

- Een soortgelijk verhaal gebeurde met een vliegtuig gemaakt na de Tweede Wereldoorlog door Vladimir Mikhailovich Myasishchev (een strategische langeafstandsbommenwerper van de M-serie, ontwikkeld door de Moskouse OKB-23 van de jaren 1950 - "Expert"). In veel opzichten was het vliegtuig zijn tijd dertig jaar vooruit en de elementen van het ontwerp werden vervolgens overgenomen door andere vliegtuigfabrikanten. Dus het is hier: in de RD-170 zijn er veel nieuwe elementen, materialen, ontwerpoplossingen. Volgens mijn schattingen zullen ze pas over enkele decennia achterhaald raken. Dit is voornamelijk te danken aan de oprichter van NPO Energomash en zijn algemeen ontwerper Valentin Petrovich Glushko en corresponderend lid van de Russische Academie van Wetenschappen Vitaly Petrovich Radovsky, die het bedrijf leidde na de dood van Glushko. (Merk op dat 's werelds beste energie- en operationele kenmerken van de RD-170 grotendeels te danken zijn aan Katorgins oplossing voor het probleem van het onderdrukken van de instabiliteit van hoogfrequente verbranding door antipulsatieschotten in dezelfde verbrandingskamer te ontwikkelen. - "Expert".) En de eerste -stage RD-253 motor voor draagraket "Proton"? Geïntroduceerd in 1965, is het zo perfect dat het nog door niemand is overtroffen. Zo leerde Glushko ontwerpen - op de grens van het mogelijke en altijd boven het wereldgemiddelde. Het is ook belangrijk om nog iets te onthouden: het land heeft geïnvesteerd in zijn technologische toekomst. Hoe was het in de Sovjet-Unie? Het Ministerie van Algemene Machinebouw, dat met name verantwoordelijk was voor ruimtevaart en raketten, besteedde 22 procent van zijn enorme budget alleen aan R&D - op alle gebieden, inclusief voortstuwing. Tegenwoordig is de financiering van onderzoek veel minder en dat zegt veel.

- Is het bereiken van enkele perfecte eigenschappen door deze raketmotoren, en dit gebeurde een halve eeuw geleden, dat een raketmotor met een chemische energiebron in zekere zin niet achterhaald is: de belangrijkste ontdekkingen zijn gedaan in nieuwe generaties raketmotoren, hebben we het nu meer over de zogenaamde ondersteunende innovaties??

- Zeker niet. Er is vraag naar raketmotoren voor vloeibare stuwstof en dat zal nog heel lang nodig zijn, omdat geen enkele andere technologie in staat is om betrouwbaarder en zuiniger een lading van de aarde op te tillen en in een lage baan om de aarde te brengen. Ze zijn milieuvriendelijk, vooral degenen die op vloeibare zuurstof en kerosine werken. Maar voor vluchten naar sterren en andere sterrenstelsels zijn raketmotoren met vloeibare stuwstof natuurlijk volledig ongeschikt. De massa van de gehele metagalaxie is 10 tot 56 gram gram. Om op een motor met vloeibare stuwstof te accelereren tot minstens een kwart van de snelheid van het licht, is een absoluut ongelooflijke hoeveelheid brandstof nodig - 10 tot 3200 gram, dus zelfs erover nadenken is dom. De raketmotor met vloeibare stuwstof heeft zijn eigen niche - onderhoudsmotoren. Op vloeibare motoren kun je de drager versnellen tot de tweede kosmische snelheid, naar Mars vliegen, en dat is alles.

- De volgende fase - nucleaire raketmotoren?

- Zeker. Het is niet bekend of we enkele van de fasen zullen meemaken, maar er is al in de Sovjettijd veel gedaan voor de ontwikkeling van nucleair aangedreven raketmotoren. Nu wordt onder leiding van het Keldysh Center, geleid door academicus Anatoly Sazonovich Koroteev, de zogenaamde transport- en energiemodule ontwikkeld. De ontwerpers kwamen tot de conclusie dat het mogelijk is om een gasgekoelde kernreactor te maken die minder stressvol is dan in de USSR, die zowel als energiecentrale als als energiebron voor plasmamotoren zal werken wanneer ze in de ruimte reizen. Een dergelijke reactor wordt nu ontworpen bij het NIKIET genoemd naar N. A. Dollezhal onder leiding van corresponderend lid van de Russische Academie van Wetenschappen Yuri Dragunov. Het Kaliningrad-ontwerpbureau "Fakel" neemt ook deel aan het project, waar elektrische voortstuwingsmotoren worden gecreëerd. Net als in de Sovjettijd kan het niet zonder het Voronezh Design Bureau of Chemical Automatics, waar gasturbines en compressoren zullen worden vervaardigd om een koelvloeistof aan te drijven - een gasmengsel in een gesloten lus.

- Gaan we in de tussentijd naar de raketmotor?

- Natuurlijk, en we zien duidelijk de vooruitzichten voor de verdere ontwikkeling van deze motoren. Er zijn tactische, langdurige taken, hier is geen limiet: de introductie van nieuwe, meer hittebestendige coatings, nieuwe composietmaterialen, een afname van de massa van motoren, een toename van hun betrouwbaarheid en een vereenvoudiging van de besturing schema. Om de slijtage van onderdelen en andere processen in de motor beter te beheersen, kunnen een aantal elementen worden geïntroduceerd. Er zijn strategische opgaven: bijvoorbeeld de ontwikkeling van vloeibaar methaan en acetyleen als brandstof samen met ammoniak of driecomponentenbrandstof. NPO Energomash ontwikkelt een driecomponentenmotor. Een dergelijke raketmotor met vloeibare stuwstof zou kunnen worden gebruikt als motor voor zowel de eerste als de tweede trap. In de eerste fase gebruikt het goed ontwikkelde componenten: zuurstof, vloeibare kerosine, en als je ongeveer vijf procent meer waterstof toevoegt, zal de specifieke impuls aanzienlijk toenemen - een van de belangrijkste energiekenmerken van de motor, wat betekent dat meer laadvermogen de ruimte in kan worden gestuurd. In de eerste fase wordt alle kerosine geproduceerd met toevoeging van waterstof, en in de tweede stap schakelt dezelfde motor over van werking op driecomponentenbrandstof naar een tweecomponentenbrandstof - waterstof en zuurstof.

We hebben al een experimentele motor gemaakt, zij het met een kleine afmeting en een stuwkracht van slechts ongeveer 7 ton, 44 tests uitgevoerd, mengelementen op ware grootte gemaakt in de sproeiers, in de gasgenerator, in de verbrandingskamer en ontdekten dat je kunt eerst aan drie componenten werken, om daarna soepel over te schakelen naar twee. Alles werkt, een hoge verbrandingsefficiëntie wordt bereikt, maar om verder te gaan, hebben we een groter monster nodig, we moeten de stands aanpassen om de componenten die we in een echte motor gaan gebruiken in de verbrandingskamer te lanceren: vloeibare waterstof en zuurstof, evenals kerosine. Ik denk dat dit een veelbelovende richting is en een grote stap voorwaarts. En ik hoop tijdens mijn leven tijd te hebben om iets te doen.

- Waarom hebben de Amerikanen, die het recht hebben gekregen om de RD-180 te reproduceren, het al vele jaren niet meer gehaald?

- Amerikanen zijn erg pragmatisch. In de jaren negentig, helemaal aan het begin van hun werk met ons, realiseerden ze zich dat we op energiegebied ver voor waren en dat we deze technologieën van ons moesten overnemen. Onze RD-170-motor kon bijvoorbeeld in één keer starten, dankzij een hogere specifieke impuls, een laadvermogen van twee ton meer opnemen dan hun krachtigste F-1, wat op dat moment $ 20 miljoen winst betekende. Ze kondigden een wedstrijd aan voor een motor van 400 ton voor hun atlassen, die werd gewonnen door onze RD-180. Toen dachten de Amerikanen dat ze met ons zouden gaan samenwerken, en over vier jaar zouden ze onze technologieën nemen en ze zelf reproduceren. Ik heb ze meteen gezegd: jullie zullen meer dan een miljard dollar en tien jaar uitgeven. Vier jaar zijn verstreken en ze zeggen: ja, zes jaar zijn nodig. Er zijn weer jaren verstreken, zeggen ze: nee, we hebben nog acht jaar nodig. Zeventien jaar zijn verstreken en ze hebben geen enkele motor gereproduceerd. Alleen al voor bankapparatuur hebben ze nu miljarden dollars nodig. Bij Energomash hebben we stands waar dezelfde RD-170-motor kan worden getest in een drukkamer, waarvan het straalvermogen 27 miljoen kilowatt bereikt.

- Ik heb het goed gehoord - 27 gigawatt? Dit is meer dan de geïnstalleerde capaciteit van alle kerncentrales van Rosatom.

- Zevenentwintig gigawatt is de kracht van de jet, die zich in relatief korte tijd ontwikkelt. Tijdens tests op de stand wordt de energie van de jet eerst gedoofd in een speciaal bassin, daarna in een dispersiepijp met een diameter van 16 meter en een hoogte van 100 meter. Het kost veel geld om een testbank als deze te bouwen die een motor kan huisvesten die zo'n vermogen genereert. De Amerikanen hebben dit nu opgegeven en nemen het eindproduct over. Hierdoor verkopen we geen grondstoffen, maar een product met een enorme toegevoegde waarde, waarin zeer intellectuele arbeid wordt geïnvesteerd. Helaas is dit in Rusland een zeldzaam voorbeeld van hightech verkopen in het buitenland in zo'n groot volume. Maar dit bewijst dat we met de juiste vraagstelling tot veel in staat zijn.

- Boris Ivanovich, wat moet er worden gedaan om de voorsprong van de Sovjet-raketmotorbouw niet te verliezen? Waarschijnlijk is naast het gebrek aan financiering voor R&D ook een ander probleem zeer pijnlijk: personeel?

- Om op de wereldmarkt te blijven, moet je de hele tijd vooruit gaan, nieuwe producten creëren. Blijkbaar, totdat het einde van ons werd ingedrukt en de donder toesloeg. Maar de staat moet beseffen dat hij zonder nieuwe ontwikkelingen aan de rand van de wereldmarkt zal komen te staan, en vandaag, in deze overgangsperiode, terwijl we nog niet zijn uitgegroeid tot het normale kapitalisme, moet hij allereerst investeren in de nieuwe - de staat. Dan kunt u de ontwikkeling voor de release van een serie overdragen aan een particulier bedrijf tegen voorwaarden die gunstig zijn voor zowel de staat als het bedrijfsleven. Ik geloof niet dat het onmogelijk is om redelijke methoden te bedenken om iets nieuws te creëren, zonder deze is het nutteloos om over ontwikkeling en innovaties te praten.

Er is personeel. Ik ben hoofd van een afdeling van het Moscow Aviation Institute, waar we zowel motorspecialisten als laserspecialisten opleiden. De jongens zijn slim, ze willen het vak doen dat ze leren, maar je moet ze een normale eerste impuls geven zodat ze niet weggaan, zoals veel mensen nu doen, om programma's te schrijven voor het distribueren van goederen in winkels. Hiervoor is het noodzakelijk om een geschikte laboratoriumomgeving te creëren, om een fatsoenlijk salaris te geven. Bouw de juiste structuur van interactie tussen wetenschap en het ministerie van Onderwijs. Dezelfde Academie van Wetenschappen lost veel problemen op met betrekking tot personeelsopleiding. Inderdaad, onder de huidige leden van de academie, corresponderende leden, zijn er veel specialisten die hightechbedrijven en onderzoeksinstituten leiden, machtige ontwerpbureaus. Ze zijn direct geïnteresseerd in de afdelingen die aan hun organisaties zijn toegewezen om de nodige specialisten op het gebied van technologie, natuurkunde, scheikunde op te leiden, zodat ze niet alleen een gespecialiseerde universitair afgestudeerde krijgen, maar een kant-en-klare specialist met wat leven en wetenschappelijke en technische ervaring. Het is altijd zo geweest: de beste specialisten werden geboren in instituten en bedrijven waar onderwijsafdelingen bestonden. Bij Energomash en bij NPO Lavochkin hebben we afdelingen van de afdeling van het Moskouse Luchtvaartinstituut "Kometa", waar ik de leiding over heb. Er zijn oude kaders die de ervaring kunnen doorgeven aan de jongeren. Maar er is heel weinig tijd meer en de verliezen zullen onherstelbaar zijn: om gewoon terug te keren naar het huidige niveau, zul je veel meer moeite moeten doen dan vandaag nodig is om het te behouden.