Perché gli americani non possono costruire motori spaziali?

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Il creatore dei migliori motori a razzo a propellente liquido del mondo, l'accademico Boris Katorgin, spiega perché gli americani non riescono ancora a ripetere i nostri successi in questo settore e come mantenere il vantaggio sovietico in futuro.

Il 21 giugno, al Forum economico di San Pietroburgo, sono stati premiati i vincitori del Global Energy Prize. Un'autorevole commissione di esperti del settore di diversi paesi ha selezionato tre candidature su 639 presentate e ha nominato i vincitori del premio 2012, comunemente chiamato "Premio Nobel per gli ingegneri energetici". Di conseguenza, 33 milioni di rubli premium quest'anno sono stati condivisi dal famoso inventore della Gran Bretagna, il professor Rodney John Allam, e da due dei nostri eccezionali scienziati: gli accademici dell'Accademia delle scienze russa Boris Katorgin e Valery Kostyuk.

Tutti e tre sono legati alla creazione della tecnologia criogenica, allo studio delle proprietà dei prodotti criogenici e alla loro applicazione in varie centrali elettriche. L'accademico Boris Katorgin è stato premiato "per lo sviluppo di motori a razzo a propellente liquido altamente efficienti su combustibili criogenici, che forniscono un funzionamento affidabile dei sistemi spaziali con parametri energetici elevati per l'uso pacifico dello spazio". Con la partecipazione diretta di Katorgin, che ha dedicato più di cinquant'anni all'impresa OKB-456, ora nota come NPO Energomash, sono stati creati motori a razzo a propellente liquido (LRE), le cui prestazioni sono ancora considerate le migliori al mondo. Lo stesso Katorgin era impegnato nello sviluppo di schemi per l'organizzazione del processo di lavoro nei motori, la formazione di miscele di componenti del carburante e l'eliminazione della pulsazione nella camera di combustione. Sono noti anche i suoi fondamentali lavori sui motori nucleari a razzo (NRE) ad alto impulso specifico e gli sviluppi nel campo della creazione di potenti laser chimici continui.

Nei tempi più difficili per le organizzazioni russe ad alta intensità di scienza, dal 1991 al 2009, Boris Katorgin ha guidato la NPO Energomash, unendo le posizioni di Direttore Generale e Progettista Generale, ed è riuscito non solo a mantenere l'azienda, ma anche a creare una serie di nuovi motori. L'assenza di un ordine interno per i motori ha costretto Katorgin a cercare un cliente nel mercato esterno. Uno dei nuovi motori era l'RD-180, sviluppato nel 1995 appositamente per la partecipazione a una gara organizzata dalla società americana Lockheed Martin, che scelse un motore a razzo a propellente liquido per il veicolo di lancio Atlas in fase di aggiornamento. Di conseguenza, NPO Energomash ha firmato un accordo per la fornitura di 101 motori e all'inizio del 2012 aveva già fornito più di 60 motori a razzo negli Stati Uniti, 35 dei quali sono stati operati con successo su Atlas nel lancio di satelliti per vari scopi.

Prima dell'assegnazione del premio, l'Esperto ha parlato con l'accademico Boris Katorgin dello stato e delle prospettive di sviluppo dei motori a razzo a propellente liquido e ha scoperto perché i motori basati sugli sviluppi di quarant'anni fa sono ancora considerati innovativi e l'RD-180 non poteva essere ricreato nelle fabbriche americane.

- Boris Ivanovich, qual è esattamente il tuo merito nella creazione di motori a reazione domestici a propellente liquido, che ora sono considerati i migliori al mondo?

- Per spiegarlo a un laico, probabilmente hai bisogno di un'abilità speciale. Per i motori a razzo a propellente liquido, ho sviluppato camere di combustione, generatori di gas; in generale, ha supervisionato la creazione dei motori stessi per l'esplorazione pacifica dello spazio esterno. (Nelle camere di combustione il combustibile e l'ossidante vengono miscelati e bruciati, e si forma un volume di gas caldi, che, poi espulsi attraverso gli ugelli, creano la vera e propria spinta del getto; i generatori di gas bruciano anche la miscela di combustibile, ma già per il funzionamento di turbopompe, che pompano carburante e ossidante sotto un'enorme pressione nella stessa camera di combustione. - "Esperto".)

- Stai parlando di un'esplorazione spaziale pacifica, anche se è ovvio che tutti i motori con una spinta da diverse decine a 800 tonnellate, che sono stati creati presso l'NPO Energomash, erano destinati principalmente a esigenze militari.

- Non abbiamo dovuto sganciare una singola bomba atomica, non abbiamo consegnato una sola carica nucleare sui nostri missili al bersaglio, e grazie a Dio. Tutti gli sviluppi militari sono andati nello spazio pacifico. Possiamo essere orgogliosi dell'enorme contributo della nostra tecnologia spaziale e missilistica allo sviluppo della civiltà umana. Grazie all'astronautica sono nati interi cluster tecnologici: navigazione spaziale, telecomunicazioni, televisione satellitare e sistemi di rilevamento.

- Il motore del missile balistico intercontinentale R-9, su cui hai lavorato, ha costituito la base di quasi tutto il nostro programma con equipaggio.

- Alla fine degli anni '50, ho svolto un lavoro computazionale e sperimentale per migliorare la formazione della miscela nelle camere di combustione del motore RD-111, che era destinato proprio a quel razzo. I risultati del lavoro sono ancora utilizzati nei motori RD-107 e RD-108 modificati per lo stesso razzo Soyuz; su di essi sono stati eseguiti circa duemila voli spaziali, inclusi tutti i programmi con equipaggio.

- Due anni fa ho intervistato il tuo collega, il Global Energy Laureate Academician Alexander Leontyev. In una conversazione sugli specialisti chiusi al pubblico, che una volta era lo stesso Leontyev, ha menzionato Vitaly Ievlev, che ha anche fatto molto per la nostra industria spaziale.

- Molti accademici che hanno lavorato per l'industria della difesa sono stati classificati - questo è un dato di fatto. Ora molto è stato declassificato - anche questo è un dato di fatto. Conosco molto bene Alexander Ivanovich: ha lavorato alla creazione di metodi di calcolo e metodi per il raffreddamento delle camere di combustione di vari motori a razzo. Risolvere questo problema tecnologico non è stato facile, soprattutto quando abbiamo iniziato a spremere il più possibile l'energia chimica della miscela di carburante per ottenere il massimo impulso specifico, aumentando, tra l'altro, la pressione nelle camere di combustione a 250 atmosfere. Prendiamo il nostro motore più potente - RD-170. Consumo di carburante con un agente ossidante - cherosene con ossigeno liquido che passa attraverso il motore - 2,5 tonnellate al secondo. I flussi di calore in esso raggiungono i 50 megawatt per metro quadrato: questa è un'enorme energia. La temperatura nella camera di combustione è di 3, 5 mila gradi Celsius. È stato necessario realizzare un raffreddamento speciale per la camera di combustione in modo che potesse funzionare calcolato e resistere al salto termico. Alexander Ivanovich ha fatto proprio questo e, devo dire, ha fatto un ottimo lavoro. Vitaly Mikhailovich Ievlev - Membro corrispondente dell'Accademia delle scienze russa, dottore in scienze tecniche, professore, che, purtroppo, morì abbastanza presto, - era uno scienziato di profilo più ampio, possedeva un'erudizione enciclopedica. Come Leontiev, ha lavorato molto sulla metodologia per il calcolo delle strutture termiche ad alto stress. Il loro lavoro da qualche parte si è intersecato, da qualche parte sono stati integrati e, di conseguenza, è stato ottenuto un metodo eccellente con il quale è possibile calcolare l'intensità del calore di qualsiasi camera di combustione; ora, forse, usandolo, qualsiasi studente può farlo. Inoltre, Vitaly Mikhailovich ha preso parte attiva allo sviluppo di motori nucleari a razzo al plasma. Qui i nostri interessi si sono intersecati negli anni in cui Energomash faceva lo stesso.

- Nella nostra conversazione con Leontyev, abbiamo toccato la vendita dei motori RD-180 energomash negli Stati Uniti e Alexander Ivanovich ha affermato che per molti versi questo motore è il risultato di sviluppi fatti proprio durante la creazione dell'RD-170, e in un certo senso la metà. È davvero questo il risultato del backscaling?

- Qualsiasi motore in una nuova dimensione è, ovviamente, un nuovo apparato. L'RD-180 con una spinta di 400 tonnellate è in realtà la metà delle dimensioni dell'RD-170 con una spinta di 800 tonnellate. L'RD-191, progettato per il nostro nuovo razzo Angara, ha una spinta di 200 tonnellate. Cosa hanno in comune questi motori? Tutti hanno una pompa turbo, ma l'RD-170 ha quattro camere di combustione, l'RD-180 "americano" ne ha due e l'RD-191 ne ha una. Ogni motore ha bisogno della propria unità turbopompa - dopotutto, se l'RD-170 a quattro camere consuma circa 2,5 tonnellate di carburante al secondo, per la quale è stata sviluppata una pompa turbo con una capacità di 180 mila kilowatt, che è più di due volte superiore, ad esempio, alla potenza del reattore del rompighiaccio atomico "Arktika", quindi l'RD-180 a due camere - solo la metà, 1, 2 tonnellate. Nello sviluppo delle turbopompe per RD-180 e RD-191, ho partecipato direttamente e allo stesso tempo ho guidato la creazione di questi motori nel loro insieme.

- Quindi la camera di combustione è la stessa su tutti questi motori, solo il loro numero è diverso?

- Sì, e questo è il nostro principale risultato. In una di queste camere con un diametro di soli 380 millimetri, vengono bruciate poco più di 0,6 tonnellate di carburante al secondo. Senza esagerare, questa fotocamera è un'attrezzatura unica ad alto stress termico con cinture speciali per proteggere da potenti flussi di calore. La protezione viene eseguita non solo grazie al raffreddamento esterno delle pareti della camera, ma anche a un ingegnoso metodo di "rivestimento" di un film di carburante su di esse, che evapora e raffredda la parete. Sulla base di questa eccezionale fotocamera, che non ha eguali al mondo, produciamo i nostri migliori motori: RD-170 e RD-171 per Energia e Zenit, RD-180 per l'Atlas americano e RD-191 per il nuovo missile russo "Angara".

- "Angara" avrebbe dovuto sostituire "Proton-M" diversi anni fa, ma i creatori del razzo hanno dovuto affrontare seri problemi, i primi test di volo sono stati ripetutamente rinviati e il progetto sembra continuare a bloccarsi.

- C'erano davvero dei problemi. Ora è stata presa la decisione di lanciare il razzo nel 2013. La particolarità dell'Angara è che, sulla base dei suoi moduli missilistici universali, è possibile creare un'intera famiglia di veicoli di lancio con una capacità di carico utile da 2,5 a 25 tonnellate per lanciare merci in orbita bassa sulla base della Motore universale ossigeno-kerosene RD-191. Angara-1 ha un motore, Angara-3 - tre con una spinta totale di 600 tonnellate, Angara-5 avrà 1000 tonnellate di spinta, cioè sarà in grado di mettere in orbita più carico di Proton. Inoltre, al posto dell'eptile molto tossico, che viene bruciato nei motori Proton, utilizziamo carburante ecologico, dopo di che rimangono solo acqua e anidride carbonica.

- Come è successo che lo stesso RD-170, creato a metà degli anni '70, rimanga ancora, di fatto, un prodotto innovativo e le sue tecnologie siano utilizzate come base per nuovi motori a razzo?

- Una storia simile è successa con un aereo creato dopo la seconda guerra mondiale da Vladimir Mikhailovich Myasishchev (un bombardiere strategico a lungo raggio della serie M, sviluppato dall'OKB-23 di Mosca degli anni '50 - "Expert"). Per molti aspetti, l'aereo era in anticipo di trent'anni sui tempi e gli elementi del suo design furono quindi presi in prestito da altri produttori di aeromobili. Così è qui: nell'RD-170 ci sono molti nuovi elementi, materiali, soluzioni di design. Secondo le mie stime, non diventeranno obsoleti per molti altri decenni. Ciò è dovuto principalmente al fondatore di NPO Energomash e al suo progettista generale Valentin Petrovich Glushko e al membro corrispondente dell'Accademia delle scienze russa Vitaly Petrovich Radovsky, che ha guidato l'azienda dopo la morte di Glushko. (Si noti che le migliori caratteristiche energetiche e operative del mondo dell'RD-170 sono in gran parte dovute alla soluzione di Katorgin al problema di sopprimere l'instabilità della combustione ad alta frequenza sviluppando deflettori antipulsazioni nella stessa camera di combustione. - "Esperto".) E il primo -stadio motore RD-253 per razzo vettore "Proton"? Introdotto nel lontano 1965, è così perfetto che non è stato ancora superato da nessuno. Così Glushko ha insegnato a progettare, al limite del possibile e sempre al di sopra della media mondiale. È importante ricordare anche un'altra cosa: il Paese ha investito nel suo futuro tecnologico. Com'era in Unione Sovietica? Il Ministero della General Machine Building, che, in particolare, era responsabile dello spazio e dei razzi, ha speso il 22 percento del suo enorme budget solo in ricerca e sviluppo, in tutte le aree, inclusa la propulsione. Oggi i fondi per la ricerca sono molto meno e questo la dice lunga.

- Il raggiungimento di alcune qualità perfette da parte di questi motori a razzo, e questo è accaduto mezzo secolo fa, non consente che un motore a razzo con una fonte di energia chimica sia in un certo senso obsoleto: le principali scoperte sono state fatte nelle nuove generazioni di motori a razzo, ora si parla più delle cosiddette innovazioni di supporto? ?

- Certamente no. I motori a razzo a propellente liquido sono richiesti e lo saranno per molto tempo, perché nessun'altra tecnologia è in grado di sollevare un carico dalla Terra in modo più affidabile ed economico e metterlo in un'orbita terrestre bassa. Sono rispettosi dell'ambiente, specialmente quelli che funzionano con ossigeno liquido e cherosene. Ma per i voli verso le stelle e altre galassie, i motori a razzo a propellente liquido, ovviamente, sono completamente inadatti. La massa dell'intera metagalassia è compresa tra 10 e 56 gradi di grammi. Per accelerare su un motore a propellente liquido ad almeno un quarto della velocità della luce, è necessaria una quantità di carburante assolutamente incredibile: da 10 a 3200 grammi, quindi anche solo pensarci è stupido. Il motore a razzo a propellente liquido ha la sua nicchia: i motori di sostegno. Sui motori a liquido, puoi accelerare il vettore alla seconda velocità cosmica, volare su Marte, e il gioco è fatto.

- La fase successiva: i motori a razzo nucleare?

- Certamente. Non è noto se vivremo per vedere alcune delle fasi, ma molto è stato fatto per lo sviluppo di motori a razzo a propulsione nucleare già in epoca sovietica. Ora, sotto la guida del Keldysh Center, guidato dall'accademico Anatoly Sazonovich Koroteev, viene sviluppato il cosiddetto modulo di trasporto ed energia. I progettisti sono giunti alla conclusione che è possibile creare un reattore nucleare raffreddato a gas meno stressante di quanto non fosse in URSS, che funzionerà sia come centrale elettrica che come fonte di energia per i motori al plasma quando si viaggia nello spazio. Un tale reattore è ora in fase di progettazione presso il NIKIET intitolato a N. A. Dollezhal sotto la guida del membro corrispondente dell'Accademia delle scienze russa Yuri Dragunov. Al progetto partecipa anche l'ufficio di progettazione di Kaliningrad "Fakel", dove vengono creati i motori di propulsione elettrica. Come in epoca sovietica, non farà a meno del Voronezh Design Bureau of Chemical Automatics, dove verranno prodotte turbine a gas e compressori per azionare un refrigerante, una miscela di gas in un circuito chiuso.

- Nel frattempo, andiamo al motore a razzo?

- Certo, e vediamo chiaramente le prospettive per l'ulteriore sviluppo di questi motori. Ci sono compiti tattici a lungo termine, non c'è limite qui: l'introduzione di nuovi rivestimenti più resistenti al calore, nuovi materiali compositi, una diminuzione della massa dei motori, un aumento della loro affidabilità e una semplificazione del controllo schema. È possibile introdurre una serie di elementi per controllare meglio l'usura delle parti e altri processi che si verificano nel motore. Ci sono compiti strategici: ad esempio, lo sviluppo di metano liquefatto e acetilene come combustibile insieme all'ammoniaca o al combustibile a tre componenti. NPO Energomash sta sviluppando un motore a tre componenti. Un tale motore a razzo a propellente liquido potrebbe essere utilizzato come motore sia per il primo che per il secondo stadio. Nella prima fase, utilizza componenti ben sviluppati: ossigeno, cherosene liquido e se aggiungi circa il cinque percento in più di idrogeno, l'impulso specifico aumenterà in modo significativo - una delle principali caratteristiche energetiche del motore, il che significa che più carico utile può essere inviato nello spazio. Nella prima fase, tutto il cherosene viene prodotto con l'aggiunta di idrogeno e, nella seconda, lo stesso motore passa dal funzionamento con carburante a tre componenti a uno a due componenti: idrogeno e ossigeno.

Abbiamo già realizzato un motore sperimentale, seppur di piccole dimensioni e con una spinta di sole 7 tonnellate circa, effettuato 44 prove, realizzato elementi di miscelazione a grandezza naturale negli ugelli, nel generatore di gas, nella camera di combustione e scoperto che puoi prima lavorare su tre componenti, quindi passare senza problemi a due. Tutto sta funzionando, si ottiene un'elevata efficienza di combustione, ma per andare oltre, abbiamo bisogno di un campione più grande, abbiamo bisogno di modificare i cavalletti per lanciare nella camera di combustione i componenti che useremo in un vero motore: idrogeno liquido e ossigeno, nonché cherosene. Penso che questa sia una direzione molto promettente e un grande passo avanti. E spero di avere tempo per fare qualcosa durante la mia vita.

- Perché gli americani, avendo ricevuto il diritto di riprodurre l'RD-180, non sono stati in grado di farlo per molti anni?

- Gli americani sono molto pragmatici. Negli anni '90, proprio all'inizio del loro lavoro con noi, si sono resi conto che in campo energetico eravamo molto più avanti di loro e che dovevamo adottare queste tecnologie da noi. Ad esempio, il nostro motore RD-170 in un avviamento, a causa di un impulso specifico più elevato, potrebbe portare un carico utile di due tonnellate in più rispetto al loro più potente F-1, che a quel tempo significava un guadagno di $ 20 milioni. Hanno annunciato una competizione per un motore da 400 tonnellate per i loro Atlas, che è stata vinta dal nostro RD-180. Poi gli americani hanno pensato che avrebbero iniziato a lavorare con noi, e in quattro anni avrebbero preso le nostre tecnologie e le avrebbero riprodotte loro stessi. Gli ho detto subito: spenderete più di un miliardo di dollari e dieci anni. Sono passati quattro anni, e si dice: sì, ne servono sei. Sono passati più anni, dicono: no, ne servono altri otto. Sono passati diciassette anni e non hanno riprodotto un solo motore. Ora hanno bisogno di miliardi di dollari solo per le attrezzature da banco. A Energomash abbiamo stand in cui lo stesso motore RD-170 può essere testato in una camera a pressione, la cui potenza del getto raggiunge i 27 milioni di kilowatt.

- Ho sentito bene - 27 gigawatt? Questa è più della capacità installata di tutte le centrali nucleari Rosatom.

- Ventisette gigawatt è la potenza del jet, che si sviluppa in un tempo relativamente breve. Durante i test allo stand, l'energia del getto viene prima estinta in un'apposita vasca, poi in un tubo di dispersione di 16 metri di diametro e 100 metri di altezza. Ci vogliono molti soldi per costruire un banco prova come questo che possa ospitare un motore che genera tale potenza. Gli americani ora hanno rinunciato a questo e stanno prendendo il prodotto finito. Di conseguenza, non vendiamo materie prime, ma un prodotto con un enorme valore aggiunto, in cui viene investito lavoro altamente intellettuale. Sfortunatamente, in Russia questo è un raro esempio di vendite di alta tecnologia all'estero in un volume così grande. Ma questo dimostra che con la corretta formulazione della domanda, siamo capaci di molto.

- Boris Ivanovich, cosa si dovrebbe fare per non perdere il vantaggio ottenuto dalla costruzione del motore a razzo sovietico? Probabilmente, oltre alla mancanza di fondi per la R&S, c'è anche un altro problema molto doloroso: il personale?

- Per rimanere sul mercato mondiale, devi andare sempre avanti, creare nuovi prodotti. Apparentemente, finché la fine di noi è stata schiacciata e il tuono ha colpito. Ma lo Stato deve rendersi conto che senza nuovi sviluppi si troverà ai margini del mercato mondiale, e oggi, in questo periodo di transizione, mentre non siamo ancora passati al capitalismo normale, deve prima di tutto investire nel nuovo - lo stato. Quindi puoi trasferire lo sviluppo per il rilascio di una serie a una società privata a condizioni vantaggiose sia per lo stato che per le imprese. Non credo che sia impossibile trovare metodi ragionevoli per creare qualcosa di nuovo, senza di loro è inutile parlare di sviluppo e innovazioni.

Ci sono personale. Sono il capo di un dipartimento dell'Istituto dell'aviazione di Mosca, dove formiamo sia specialisti di motori che specialisti di laser. I ragazzi sono intelligenti, vogliono fare il business che stanno imparando, ma devi dare loro un normale impulso iniziale in modo che non lascino, come fanno molte persone ora, a scrivere programmi per la distribuzione di merci nei negozi. Per questo è necessario creare un ambiente di laboratorio adeguato, per dare uno stipendio dignitoso. Costruire la corretta struttura di interazione tra scienza e Ministero della Pubblica Istruzione. La stessa Accademia delle Scienze risolve molte problematiche legate alla formazione del personale. Infatti, tra gli attuali membri dell'accademia, membri corrispondenti, ci sono molti specialisti che gestiscono imprese ad alta tecnologia e istituti di ricerca, potenti uffici di progettazione. Sono direttamente interessati ai dipartimenti assegnati alle loro organizzazioni per educare gli specialisti necessari nel campo della tecnologia, della fisica, della chimica, in modo che ricevano immediatamente non solo un laureato specializzato, ma uno specialista pronto con un po' di vita e scientifica e esperienza tecnica. È sempre stato così: i migliori specialisti sono nati negli istituti e nelle imprese dove esistevano i dipartimenti educativi. In Energomash e in NPO Lavochkin abbiamo dipartimenti della filiale dell'Istituto dell'aviazione di Mosca "Kometa", di cui sono responsabile. Ci sono quadri anziani che possono trasmettere l'esperienza ai giovani. Ma rimane pochissimo tempo e le perdite saranno irrecuperabili: per tornare semplicemente al livello attuale, dovrai dedicare uno sforzo molto maggiore di quello necessario oggi per mantenerlo.